AI数据中心浸没式冷却系统中不同封装形态（2.5D/3D Chiplet）芯片在单相浸没介质中的局部热扩散阻抗建模与热点迁移路径预测方法研究
发布日期：2026年09月11日
【摘要】 本研究提出一种面向AI数据中心浸没式冷却场景的芯片级热行为建模新范式，核心在于揭示2.5D/3D Chiplet封装结构在单相浸没介质中局部热扩散的非均匀性机制，并据此构建可预测热点迁移路径的阻抗模型。区别于传统均质化热模型，该方法将Chiplet间互连密度、堆叠界面热导率差异及介质局部对流扰动纳入热阻网络重构，使模型能动态反映多尺度热耦合下热点位置与强度的时变演化规律。研究验证表明，该建模框架显著提升热点定位精度与冷却响应预判能力，为浸没式系统中芯片布局优化、介质流场设计及故障预警策略提供可量化的理论支撑。成果不依赖特定工艺参数或硬件平台，具备跨代际Chiplet架构的适配潜力，有助于降低高算力密度场景下的热管理不确定性，支撑AI基础设施向更高能效比与更长服役周期演进。
【概览】
关键发现：
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Chiplet封装中互连密度分布是驱动局部热扩散非均匀性的主导结构因素，其影响显著超过芯片平均功耗密度。
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堆叠界面热导率的跨尺度梯度变化会诱发热量沿垂直方向的偏转与再分配，形成非直观的热点迁移路径。
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单相浸没介质中的微尺度对流扰动并非随机噪声，而是与Chiplet几何排布存在确定性耦合关系，可被建模为热阻网络的动态修正项。
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热点位置与时变强度呈现强耦合特征，孤立优化静态热阻或瞬态响应均无法准确预判实际热行为演化趋势。
核心建议：
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在芯片物理设计阶段嵌入热扩散阻抗敏感性分析模块，将互连密度图与堆叠界面材料参数作为布局优化的协同约束条件。
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面向浸没式冷却系统开发可配置的热阻网络生成工具链，支持基于实测介质流场数据对模型进行在线校准与路径重预测。
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构建跨代际Chiplet架构的热行为基准测试协议，统一定义界面热导率表征方法与局部对流扰动量化指标，支撑模型泛化能力验证。
【引言】 随着AI大模型训练与推理负载呈指数级增长，数据中心单机柜功率密度已突破100 kW，传统风冷与冷板液冷在热流密度超200 W/cm²的先进封装芯片面前渐显乏力。尤其在浸没式冷却场景中，2.5D/3D Chiplet架构凭借高带宽、低延迟和异构集成优势成为主流选择，但其多层堆叠、微凸块互联与非均匀功耗分布，导致热量在硅中介层（Interposer）与裸片间横向扩散受阻，局部热扩散阻抗显著升高——这并非单纯散热能力问题，而是热路径重构失效引发的“热点漂移”：初始高功耗单元产生的热量无法及时横向导出，反而沿低阻路径向邻近逻辑单元或缓存区域迁移，造成次生热点，加剧局部温升与可靠性风险。当前行业普遍依赖整体平均结温或简化热阻网络建模，难以刻画Chiplet内部微米级结构对热流方向的动态约束，更无法预测热点在多物理场耦合作用下的时空迁移轨迹。本研究立足工程实证，以单相浸没介质（如Novec™ 7100）为边界条件，聚焦2.5D/3D Chiplet封装中硅中介层厚度、微凸块节距、TSV分布及界面接触状态等可制造参数，构建兼顾物理保真度与求解效率的局部热扩散阻抗解析模型；进而融合瞬态热响应特征与介质对流扰动效应，提出热点迁移路径的分段式预测方法。成果可直接嵌入芯片布局早期热协同设计流程，支撑冷却系统与封装结构的双向优化，切实提升AI数据中心能效比与硬件寿命。
一、AI数据中心浸没冷却演进瓶颈与Chiplet封装热挑战实证分析 AI数据中心冷却范式正面临“热密度跃迁”与“封装结构解耦”的双重挤压 当前单机柜功率已突破100kW，AI训练集群局部芯片热流密度持续逼近1000W/cm²量级，传统风冷与冷板式液冷在换热效率、均温性与系统集成度上均触达物理天花板。更关键的是，冷却技术演进不再仅受制于散热能力，而日益被芯片封装形态的结构性变化所主导——Chiplet架构通过物理分离计算单元、I/O单元与内存单元，虽提升了良率与异构集成灵活性，却同步导致热源在三维空间内高度离散化、非对称化。热管理对象从“单一大芯片”退化为“多尺度热岛集群”，冷却系统必须同时应对微米级硅通孔（TSV）热阻、毫米级中介层（Interposer）横向导热瓶颈，以及厘米级载板界面接触热阻的叠加效应。
单相浸没冷却在Chiplet场景下暴露出三重隐性失配 第一重是“介质-界面动态适配失配”：单相介质（如碳氢类或硅基流体）虽具备全域覆盖优势，但其导热系数普遍低于0.15 W/(m·K)，远低于铜（400 W/(m·K)）或硅（150 W/(m·K)）。当Chiplet间存在微米级高度差或翘曲时，介质无法有效填充局部间隙，形成“热屏蔽气隙”，使实际接触热阻呈非线性放大；第二重是“热扩散路径不可控”：2.5D封装中RDL层与TSV构成复杂热网络，3D堆叠则引入垂直方向强热耦合，而单相介质缺乏主动导流机制，热量仅靠自然对流与传导扩散，导致热点沿低阻路径迁移而非均匀耗散；第三重是“监测粒度失配”：现有浸没系统依赖机