芯片，太热了

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文章摘要

随着摩尔定律的持续推动，芯片的晶体管密度每两年翻一番，但这一进步也带来了显著的散热问题。在当今的CPU和GPU等片上系统（SoC）中，温度不仅影响性能、功耗和能效，还可能导致芯片性能的永久性下降。问题的根源在于登纳德缩放定律的终结，该定律曾确保随着晶体管尺寸的缩小，电压降低以保持功耗不变。然而，自2000年代中期以来，进一步降低电压已不可行，导致功率密度和热量产生持续增加。

高效的散热对于维持芯片性能和寿命至关重要。传统上，SoC通过空气冷却或液体冷却来散热，但这些方法在面对更小节点技术时显得力不从心。纳米片晶体管和互补场效应晶体管（CFET）等新技术的引入，虽然提高了芯片密度，但也带来了更高的温度。例如，CFET节点的功率密度比纳米片节点高出12%至15%，预计温度将上升9°C。在数据中心中，这种温差可能导致热失控，进而引发硬件损坏。

为了应对这些挑战，研究人员正在探索先进的冷却方法，如微流体冷却、喷射冲击冷却和浸入式冷却。然而，这些方法在移动系统和数据中心中仍面临诸多限制。因此，系统级解决方案成为控制热量的重要手段。例如，热传感器可以检测温度上升并降低工作电压和频率，从而减少功耗。另一种方法称为“热冲刺”，通过在不同核心之间迁移操作来最大化单线程性能，但可能导致延迟和整体吞吐量下降。

背面供电网络（BSPDN）等新技术有望通过降低电压来减少热量产生。BSPDN将电源线从芯片正面移到背面，降低电阻和电压损失，从而使芯片在较低电压下运行。此外，背面电容和集成电压调节器（IVR）进一步优化了电压管理，提高了能效。然而，这些技术也可能引发新的散热问题，例如热点温度的升高。

未来，芯片设计将进入CMOS 2.0时代，采用先进的晶体管架构和专用逻辑层，以优化性能和功率效率。这些技术可能带来热性能优势，但需要跨学科的合作和精确的仿真工具来验证其效果。芯片设计师必须在早期阶段考虑热管理，避免过度依赖软件解决方案，以确保芯片性能和散热的平衡。

解决芯片散热问题需要系统技术协同优化（STCO），通过整体考虑系统、物理设计和工艺技术，消除抽象界限。只有通过合作和创新的工具，业界才能有效应对日益严峻的热挑战，确保芯片技术的持续进步。