全面散热（一）

量子电脑、存储器计算（in-memory computing）、矽光子、铜混合键合（copper hybrid bonding）、氮化铝基板／晶圆、氮化矽基板／晶圆等，这些新技术有什麽共通点？ 
 
在进入详细讨论之前，我们先退一步看半导体过去的发展考虑。成本、效能、功耗等3个面向一直是半导体过去技术发展的主轴。成本以前靠制程微缩和良率提升，效能提升也靠微缩。功耗问题面向较为多样化，节省能耗基本上靠降电压、使用低电阻材料和设计优化等，处理废热的手段就更复杂了。 
 
上述3个面向的进展需要有权衡的考虑—工程一向是综合效能的权衡问题。资深的电脑使用者应该记得过去有一段时间的个人电脑中装有风扇，也就是说当时要求CPU效能的大幅迈进，迫使散热手段必须升级，外延到在系统层级另外加风扇气冷的手段。之后CPU的线路设计业界有个默契，控制CPU发热在单靠IC自然气冷散热就足以应付的程度，恼人的风扇声就暂时从办公桌上消失。 
 
芯片中的能耗机制主要有2种：一种是晶体管开关的能耗。目前一个状态切换（switch）的能耗大概是在飞焦耳（femto joule）的数量级；另外一种是焦耳热（joule heat），就是电子流经金属连线因为电阻所产生的废热。由于金属连线的宽度在制程长年的微缩下变得愈来愈细，电阻不容易再下降，芯片的效能又愈来愈高、传送的信息愈来愈多。焦耳热在目前的von Neumann计算架构下是热耗散的主要源头。 
 
废热如果无法及时排出，可能会使芯片、系统失效甚或损毁。解决的源头自然是从降低能量使用开始，然后才是排放废热的处理。 
 
散热的手段有3种：辐射、传导和对流。辐射的功率正比于温度的四次方，对于芯片这样的低温，辐射的散热效率是远远不够的，所以半导体或电子系统的散热方法通常是传导和对流的结合。 
 
氮化铝和氮化矽都是半导体业界所熟悉的材料，现在也用做散热材料。氮化铝的导热系数高；氮化矽的导热系数虽然稍低，但是其他机械特性如强度和断裂韧性都很高，综合性能最佳。这二者目前都已制成陶瓷基板/晶圆，用于功率模块的隔热板、或做为外延（epitaxy）功率元件的晶圆基底。这是以高导热率材料来散热的办法。如果需要的话，在基板／晶圆底下还可以用活性金属钎焊法（Active Metal Brazing；AMB）加上一层铜，提高散热效率。 
 
更积极些的办法是减少电源及信号传导所发出的焦耳热。 

矽光子是以光信号来替代电信号。理论上光信号的传导是不耗能的，自然也不会有废热，可以极大程度的避免焦耳热的产生。这是为什麽矽光子预计在2025年会进入量产的主要动力之一—人工智能诱发的大量计算，使得现有的电信号传送方式快要让功耗和散热难以负荷。
 
3D封装中的铜混合键合让数个异构（heterogeneous）芯片间原有的金属连线，变成堆叠芯片上重分布层（Redistribution Layer；RDL）的直接对口铜金属键合，大幅缩短芯片之间原先金属连线的长度，所以焦耳热是降低了。但是3D封装也大幅提升芯片的集积度，使得原本已然艰难的散热问题更加恶化。譬如原先用2.5D封装的高带宽存储器（High Bandwidth Memory；HBM）与CPU/GPU，在改为3D封装之后，居于最底层的逻辑芯片由于上层的存储器芯片层数增加，势必要处理更多的数据运算，因此散热的负担更加沉重，这就是进行式的挑战。 
 
存储器计算的想法更为激进。如果电脑依照von Neumann架构运作，数据必须在CPU与存储器间反覆传递，这是焦耳热产生的最主要原因，那就乾脆把二者合并为一，就没有两个芯片间相互传送的问题。这不算是原始创意，因为人脑就是这麽运作的。只是这方向的研究还在摸索中。