浸没式液冷系统中不同封装形态AI芯片（2.5D/3D Chiplet）的局部热点迁移路径识别研究
发布日期：2026年09月11日
【摘要】 本研究发现，AI芯片在浸没式液冷系统中的局部热点迁移路径高度依赖其封装形态，而非仅由功耗密度或制程工艺决定。2.5D与3D Chiplet架构因互连方式、堆叠层级及热界面分布差异，导致热量在芯片内部的传导方向、聚集时序与空间扩散模式显著不同：前者热点多沿中介层横向迁移，后者则呈现垂直-横向耦合的动态跃迁特征。这种迁移路径的结构性差异直接影响冷却介质的局部换热效率与温度梯度稳定性，进而制约系统长期运行的能效比与可靠性。研究通过多尺度热流耦合建模与红外动态成像验证，揭示了封装构型对热行为的主导作用——当冷却能力提升至一定阈值后，进一步优化液冷参数的边际收益递减，而重构Chiplet布局与热通路设计可更有效地抑制热点累积。该结论为高算力AI基础设施的散热架构选型提供了新依据：需将封装形态纳入液冷系统协同设计的前置环节，而非仅作为后端适配对象。
【概览】
关键发现：
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封装形态是决定AI芯片局部热点迁移路径的主导因素，其影响显著超过功耗密度与制程工艺等传统热设计参数。
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2.5D Chiplet架构的热量迁移以中介层为导热主干，呈现横向扩散为主、时序平缓的聚集特征。
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3D Chiplet架构因垂直堆叠与多层热界面耦合，形成动态跃迁式热点路径，兼具垂直传导优先性与横向不稳定性。
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热点迁移路径的结构性差异直接导致液冷介质在微尺度上的换热响应非线性，温度梯度稳定性对封装构型敏感度高于冷却参数调节幅度。
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当液冷系统冷却能力达到临界阈值后，继续优化流速、温差等液冷变量带来的能效提升趋于饱和，而封装级热通路重构可突破该瓶颈。
核心建议：
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在AI芯片选型阶段同步启动封装构型与液冷系统的联合评估，将热迁移路径建模纳入前期协同设计流程。
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针对2.5D架构优先优化中介层材料导热均匀性与横向布线热隔离，抑制横向热点连带扩散。
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针对3D架构分层设计可控热界面，通过嵌入式微腔结构或梯度导热填充材料调控垂直-横向热流耦合强度。
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建立封装形态分类的液冷适配图谱，按Chiplet堆叠层数、互连密度、热界面数量等结构特征匹配冷却介质流道布局与局部强化策略。
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在系统集成验证中增加红外动态热成像作为必检项，重点捕捉开机瞬态至稳态过程中的热点跃迁时序与空间轨迹。
【引言】 随着AI大模型训练与推理负载持续攀升，单颗AI芯片功耗已突破1000W，传统风冷与冷板式液冷在热密度极限（>100 W/cm²）下日益力不从心。浸没式液冷凭借高换热效率、均温性好、系统简化等优势，正加速成为超算中心与智算集群的主流散热方案。然而，实际部署中我们观察到：即便整机温升可控，芯片局部热点仍频繁触发降频甚至热节流——问题根源并非总散热能力不足，而在于高集成度Chiplet封装（尤其是2.5D/3D异构堆叠）内部多源热流在微米级互连通道、TSV阵列与中介层界面间的非均匀传导与动态迁移。这些热点并非静态存在，而是随计算任务切换、数据流路径变化及相邻单元功耗波动，在数十微秒至毫秒尺度上沿特定物理路径迁移。本研究摒弃“全局均温优化”的惯性思维，聚焦于识别不同封装形态下热点迁移的可复现路径特征：通过高时空分辨率红外热成像与结构化热仿真耦合，结合芯片版图-布线-功耗映射关系，解析热流在RDL层、微凸点、硅通孔等关键界面处的分流、汇聚与迟滞行为。核心逻辑是——将热问题还原为“结构约束下的瞬态能量输运过程”，从而为液冷工质流向设计、局部强化换热结构布局及动态功耗调度策略提供可落地的物理依据。
一、浸没式液冷环境下AI芯片热行为差异性实测分析 浸没式液冷环境下AI芯片热行为差异性的本质，源于封装形态对热源空间分布与瞬态响应特性的结构性重构。2.5D Chiplet通过硅中介层实现高带宽互连，其逻辑单元、HBM堆栈与I/O芯片在平面维度上呈异构拼接，导致热源分布呈现“多峰离散”特征；而3D Chiplet通过TSV垂直堆叠，将计算核心与存储单元在Z轴方向紧密耦合，形成“高密度纵深热源簇”。这一物理结构差异，直接改变了热量在芯片本体内的传导路径、界面热阻分布及局部热容特性——并非单纯温度高低之别，而是热动态响应模式的根本分野。 实测中观察到的典型现象印证了该结构性逻辑：在相同负载跃变条件下，2.5D封装芯片表面热点呈现“横向扩散慢、边界积热明显”的特征，其热响应滞后性主要受中介层横向导热率与Chiplet间微凸块热界面不均匀性制约；而3D封装芯片则表现出“纵向传导快、顶面温升陡峭但衰减迅速”的特点，其瞬态热点更易沿TSV通道向冷媒侧迁移，但底部逻辑层与顶部HBM间的热耦合也加剧了局部热应力累积风险。这揭示出一个关键业务洞察：液冷系统的设计重心，正从“全局均温控制”转向“多尺度热点路径治理”——即需同步建模芯片级（Chiplet间）、封装级（界面/基板）与系统级（流场/相变）三重热传递机制。
尚参科技提出的“热路径韧性评估框架”在此具有强解释力：该框架将热行为差异解