中国学科发展战略-电子设备热管理

第一章　电子设备热管理学科的发展规律与挑战

 第一节　电子设备热管理的概念与内涵

 由半导体器件、集成电路、光电子器件和真空电子器件等电子元器件组成的电子设备［如计算机、数控、信息技术（information technology，IT）设备、数据中心、激光器和雷达等］是社会经济和军事国防领域中的基础单元和关键设备，在国民经济和国防领域中发挥着十分重要的作用，如图1-1所示。

 图1-1 电子设备在国民经济的许多领域有广泛应用

 由于受电子器件效率的内在限制，输入给电子器件的近80%电功率都将耗散转变成废热。如果不能有效地解决电子器件与设备产生的废热及时排散和温度控制问题，会导致电子器件温度升高，器件工作性能下降，甚至超过电子器件允许的极限工作温度而烧毁失效，严重影响电子器件与设备的工作性能与可靠性。以射频组件性能与温度的关系为例［图1-2(a)］，随着电子器件温度的增加，射频组件的输出功率和功率增益效率都在不断下降，电子器件性能与其温度存在密切关联[1]。如图1-2(b)所示，对典型场效应晶体管（field effect transistor，FET）而言，器件工作温度水平也是影响其失效和寿命的关键因素之一，当器件结温超过150℃后，场效应晶体管每十万小时失效率将急剧增加。

 图1-2 温度对电子器件性能的影响

 随着第五代移动通信技术（5th generation mobile networks，5G）、大数据、人工智能和无人驾驶等新技术的发展与应用，对数据的计算、连接、传送、交换和存储等的要求越来越高，电子器件与设备热管理已经不仅是可靠性保障的需求，已提升到决定芯片算力和处理能力的高度。历史上，晶体管工艺的进步可同时实现性能提升和能耗降低；当电子芯片特征尺寸演进到10nm时，已无法实现在降低能耗的同时大幅度提升性能，芯片每代性能提升1倍，芯片比功耗a至少需要提升30%～40%，这导致当前芯片散热能力其实已远不能满足芯片全性能发挥时的散热需求。从实际应用角度看，散热能力决定了芯片的性能能够发挥到多少；从国际竞争角度看，高性能且高能效的电子器件与设备热管理能力，可以部分弥补国产半导体工艺和国外差2代的显著代沟差距。因此，热管理已成为维护与保障电子设备工作性能和可靠性、研制新型电子设备的关键技术，是近十多年来国际热科学领域的研究热点之一。

 第二节.电子设备热管理的发展规律和面临的挑战

 一、电子设备热管理的发展规律

 随着电子技术的发展，电子器件与设备热管理呈现两大发展规律，具体如下。

 （一）电子芯片、器件特征尺寸越来越小，器件集成度越来越高，输入功率与功率损耗不断增大，导致其热流密度急剧升高

 电子芯片特征尺寸是电子技术发展水平的一个重要标志，特征尺寸越小，芯片集成度越高。集成电路（intergrated circuit，IC）数字芯片演进的核心基石与标志是摩尔定律。芯片特征尺寸从20世纪70年代的10μm量级已经减小到当前的10nm量级，2019年芯片已经达到7nm，2021年演进到5nm，未来10年将持续向3nm、2nm等递进。芯片集成度随之以惊人的速度增大，从最初的单个芯片只能集成几十个晶体管，发展到目前单个芯片可以集成几十亿个晶体管。

 在芯片尺寸缩减演进过程中，芯片功率在不断增大。例如，20世纪80年代单个芯片的功率只有几瓦，2005年左右已增大到接近100W，增大了几十倍。在过去10年中，对比功耗而言，算力和管道带宽性能的增幅要超过摩尔和超摩尔演进的降幅，芯片的比功耗增加了5倍，而人工智能（artificial intelligence，AI）芯片、高性能中央处理器（central processing unit，CPU）和大容量网络交换芯片的功耗都已经达到300～400W。芯片在性能提升过程中遇到高速墙和内存墙，两个裸片距离太远，难以实现裸片之间大于100Gbit/s的高速通信需求，难以解决计算核心和内存之间的高带宽需求。为了解决这两个问题，当前的趋势是把多个裸片通过异构合封（heterogonous integration）组合在一起，满足大封装、大功耗的需求。基于性能演进需求，预测未来5年芯片比功耗还将会增长2～3倍（图1-3），单芯片功耗会达到并超过1000W。

 图1-3 芯片比功耗演化预测

 数据来源：华为技术有限公司

 由于阈值电压的限制，晶体管的功耗降幅低于尺度小型化的降幅。如果维持工作频率不变，每代节点晶体管热流密度会上升约30%，导致电子芯片和器件的热流密度急剧上升，热流密度从早期的不超过10W/cm2已经增大至100W/cm2。例如，激光二极管和固态微波功率器件的热流密度已经达到200～500W/cm2，这样的热流密度相当于核弹爆炸的水平（图1-4），因而亟待解决高热流密度条件下的电子器件温度控制问题。此外，由于芯片尺度的缩小，芯片自身的热容量及热惯性下降，抗瞬态热冲击的能力迅速下降，需要快速及时排散芯片工作过程中器件内部产生的焦耳热。

 近年来，电子器件正从传统的二维平面组装向三维立体集成方向发展，通过将射频前端、信号处理、存储、传感、致动甚至能量源等功能的电子元件垂直集成在一起，从而达到增强功能密度、进一步缩小尺寸的目的，以克服“后摩尔”时代电子技术发展过程中面临的挑战。例如，西屋电气公司（Westinghouse Electric Corporation，WEC）采用三维（three dimension，3D）集成技术研制的X波段微波器件，由8个砷化镓（GaAs）单片微波集成电路（monolithic microwave integrated circuit，MMIC）晶片、4个GaAs数控介质晶片、若干功放匹配网络及射频（radio frequency，RF）旁路电容等构成，互连电路基板为低温共烧陶瓷多层基板，其内部含有22层布线及多种形状复杂的空腔结构，线宽/间距均为125μm，相对于原先的分立模块，体积和重量缩小了数十倍。与二维（two dimension，2D）器件相比，3D集成电子器件的热流密度将急剧增大。有数据表明，3D集成器件功率密度将达到1kW/cm2以上，局部热点更是将超过5kW/cm2。显然，3D集成器件在给电子技术发展带来新机遇的同时，给热管理技术提出了新的、更高的要求。

 因此，可以看出，热管理已经成为制约电子技术发展的关键瓶颈问题之一。2015年，英特尔公司的首席执行官科再奇（Krzanich）称指导了过去50年电子行业发展的摩尔定律即将走向终结，并指出摩尔定律失效的主要原因之一是热死亡。电子技术未来发展亟待需要热管理新方法与新技术的支撑。

 （二）电子设备、系统大型化、超大规模特征日益凸显，系统热耗巨大

 电子技术的另一个发展特征体现在设备级和系统层次，随着对电子设备功能需求的不断提高，电子设备、系统的规模越来越大。例如，腾讯科技（深圳）有限公司在天津的数据中心服务器数量已超过10万个，天河二号超级计算机有32 000个Ivy Bridge处理器和48 000个Xeon Phi，共有312万个计算核心。大型化、超大规模的电子设备和系统耗能巨大。以数据中心为例，2016年我国数据中心保有量约为5.6万个，2020年我国数据中心保有量超过8万个，与之相对应的是能源消耗也在逐年攀升。据统计，2009年我国数据中心的耗电量达到364亿kW h，大约相当于当年全国总能耗的1%，2018年我国数据中心用电量占全国的2.35%，超过上海用电量（1567亿kW h），碳排放达9900万t，高耗能成为数据中心产业发展的大问题（图1-5）[8]。数据分析表明，在数据中心总耗电量中，用于IT设备和制冷设备的能耗均占到了40%（图1-6），是数据中心最大的耗能源头。当前，国家也在加强对设备能效进行目标牵引，工业和信息化部等2019年发布的《工业和信息化部 国家机关事务管理局 国家能源局关于加强绿色数据中心建设的指导意见》（工信部联节［2019］24号）要求新建大型、超大型数据中心的电