隨著大模型訓(xùn)練與推理需求爆發(fā)，AI芯片算力不斷提升，功耗與發(fā)熱問(wèn)題日益凸顯，正成為制約智能設(shè)備性能釋放的核心瓶頸。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)芯片溫度升至70–80℃時(shí)，每再升高10℃，性能下降近50%。高溫已成為制約AI應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸，也催生了新一代散熱技術(shù)的迫切需求。
在此趨勢(shì)下，傳統(tǒng)的冷卻解決方案難以跟上需求，導(dǎo)致過(guò)熱問(wèn)題，從而降低芯片性能并降低用戶體驗(yàn)，越來(lái)越難以應(yīng)對(duì)高功率密度芯片的散熱挑戰(zhàn)。液冷散熱技術(shù)憑借其主動(dòng)循環(huán)、高效導(dǎo)熱和靈活布局的優(yōu)勢(shì)，正逐步從數(shù)據(jù)中心走向移動(dòng)終端，成為AI時(shí)代熱管理的新方向。
液冷散熱：從數(shù)據(jù)中心到移動(dòng)設(shè)備的散熱變革
散熱技術(shù)的進(jìn)化史，本質(zhì)上是行業(yè)對(duì)“算力－功耗－熱量”三角平衡的破解史。傳統(tǒng)散熱方案長(zhǎng)期依賴熱管、均溫板（VC）等被動(dòng)式相變技術(shù)，其核心邏輯是通過(guò)材料的導(dǎo)熱特性將熱量“疏導(dǎo)”至散熱面。但這類技術(shù)受限于二維平面?zhèn)鲗?dǎo)，當(dāng)芯片功率密度超過(guò)一定閾值，散熱效果就將大打折扣。
液冷散熱技術(shù)并非全新概念，早在高性能計(jì)算和數(shù)據(jù)中心中已有成熟應(yīng)用，其核心原理是通過(guò)液體（如水、礦物油、氟化液等）直接或間接接觸發(fā)熱部件，利用液體更高的比熱容和導(dǎo)熱效率，實(shí)現(xiàn)更快速、更精準(zhǔn)的熱量傳遞，從而顯著提升散熱效能，降低能耗，并支持高密度計(jì)算設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。
目前液冷技術(shù)主要應(yīng)用在AI數(shù)據(jù)中心中，技術(shù)實(shí)現(xiàn)形式主要分為三類：冷板式通過(guò)金屬導(dǎo)熱板精準(zhǔn)冷卻核心發(fā)熱部件，兼容性強(qiáng)且改造成本低，適用于中高密度機(jī)柜；浸沒(méi)式將設(shè)備完全浸入冷卻液實(shí)現(xiàn)極致散熱（PUE可低至1.03），但需專用密封設(shè)計(jì)和高成本氟化液，適配超算/AI等高熱密度場(chǎng)景；噴淋式依賴定向噴射蒸發(fā)吸熱，技術(shù)成熟度低且泄漏風(fēng)險(xiǎn)顯著，目前僅邊緣計(jì)算等特定場(chǎng)景試點(diǎn)（當(dāng)前冷板式占主流60%+，浸沒(méi)式增速35%+）。冷板式液冷因其技術(shù)相對(duì)成熟且改造成本較低，目前在市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，2024年在我國(guó)液冷數(shù)據(jù)市場(chǎng)中占比超90%。而浸沒(méi)式液冷則因其極高的散熱效率，在超算中心、AI訓(xùn)練集群等高熱密度場(chǎng)景中的應(yīng)用也在逐步增加。
液冷散熱技術(shù)正處于快速發(fā)展和規(guī)?；瘧?yīng)用的階段，TrendForce集邦咨詢預(yù)估，液冷技術(shù)在AI數(shù)據(jù)中心的滲透率將從2024年的14%，大幅提升至2025年的33%。與此同時(shí)，隨著AI手機(jī)、輕薄筆記本、AR/VR設(shè)備等移動(dòng)終端對(duì)算力需求的飆升，液冷技術(shù)也開始“小型化”“集成化”發(fā)展，作為應(yīng)對(duì)高功率密度算力需求的關(guān)鍵解決方案，正在從數(shù)據(jù)中心向消費(fèi)電子等領(lǐng)域快速擴(kuò)展。
但更多的挑戰(zhàn)出現(xiàn)也隨之出現(xiàn)。智能手機(jī)、平板、AR/VR等移動(dòng)設(shè)備的內(nèi)部空間相比AI數(shù)據(jù)中心相差甚遠(yuǎn)，傳統(tǒng)液冷方案的泵體體積、功耗、噪音都難以適配。這就像要在火柴盒里裝一套空調(diào)系統(tǒng) —— 既要功率足夠，又要足夠“小巧”。
微泵液冷：移動(dòng)設(shè)備中的“微型空調(diào)系統(tǒng)”
與傳統(tǒng)的被動(dòng)散熱方案（如石墨片、VC均熱板）相比，微泵液冷系統(tǒng)的散熱效率提升顯著，能夠應(yīng)對(duì)高熱流密度，保障設(shè)備高性能持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，滿足手機(jī)AI PC、數(shù)據(jù)中心、超薄本、游戲本的高算力散熱需求。更關(guān)鍵的是，其柔性管道設(shè)計(jì)可適配折疊屏鉸鏈、超薄機(jī)身等復(fù)雜空間，解決了傳統(tǒng)散熱方案“硬接觸”的適配難題。
其中，壓電微泵液冷技術(shù)更是由于響應(yīng)快、易控制和易集成的特點(diǎn)而受到越來(lái)越多關(guān)注，壓電微泵技術(shù)的出現(xiàn)，為移動(dòng)設(shè)備的散熱難題提供了鑰匙。壓電微泵液冷散熱是基于壓電陶瓷逆效應(yīng)開發(fā)出的新一代主動(dòng)散熱驅(qū)動(dòng)方案，通過(guò)壓電微泵與高分子薄膜的超高集成實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式液冷。其工作機(jī)理是，當(dāng)交變電場(chǎng)施加于壓電陶瓷，材料發(fā)生微米級(jí)形變，改變泵腔容積，配合單向閥的“開關(guān)”動(dòng)作，冷卻液被持續(xù)“吸入”并“壓出”，在微米級(jí)管道中形成循環(huán)，將芯片產(chǎn)生的熱量精準(zhǔn)轉(zhuǎn)移至散熱片。
壓電微泵液冷技術(shù)屬于主動(dòng)式散熱方案，由于其超低功耗、超小體積、超靜音、高背壓、高流量、高凈換熱系數(shù)等特點(diǎn)，非常適用于智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、AR/VR眼鏡、運(yùn)動(dòng)相機(jī)、可穿戴設(shè)備、無(wú)人機(jī)、AI算力服務(wù)器、AI機(jī)器人、微型醫(yī)療設(shè)備等散熱系統(tǒng)中，有望成為各類移動(dòng)終端熱管理領(lǐng)域重要的技術(shù)解決方案。
但現(xiàn)有的壓電微泵的普及也受制于三大技術(shù)瓶頸，一是驅(qū)動(dòng)電壓高，傳統(tǒng)方案需300V以上電壓，遠(yuǎn)超移動(dòng)設(shè)備電池的供電能力；二是集成難度大，泵體、驅(qū)動(dòng)電路、控制模塊的分立設(shè)計(jì)占用過(guò)多空間，能效低；三是噪聲大，對(duì)驅(qū)動(dòng)波形的諧波要求高。因而傳統(tǒng)壓電微泵方案多依賴分立元件，體積大、能效低，仍然難以滿足消費(fèi)電子對(duì)緊湊與節(jié)能的雙重要求。
南芯SC3601：以“芯”破解液冷驅(qū)動(dòng)難題
隨著移動(dòng)智能終端設(shè)備不斷突破性能和設(shè)計(jì)的極限，壓電微泵液冷系統(tǒng)的采用有望成為行業(yè)的一大趨勢(shì)。面對(duì)液冷驅(qū)動(dòng)難題，國(guó)內(nèi)芯片廠商在壓電微泵液冷散熱產(chǎn)品方面進(jìn)展喜人，南芯科技在近期推出的SC3601壓電微泵驅(qū)動(dòng)芯片，成為國(guó)內(nèi)首款能廣泛應(yīng)用于移動(dòng)智能終端的液冷驅(qū)動(dòng)解決方案。
SC3601集成升降壓轉(zhuǎn)換器，驅(qū)動(dòng)電壓峰峰值達(dá)190V，采用WLCSP和QFN小型化封裝，響應(yīng)速度可達(dá)亞毫秒級(jí)，完美匹配壓電微泵液冷系統(tǒng)的需求。其三大技術(shù)創(chuàng)新重新定義了移動(dòng)液冷的可能性邊界。
首先，能量回收機(jī)制是SC3601的“節(jié)能密碼”。傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方案采用單向能量轉(zhuǎn)換，電能通過(guò)壓電材料轉(zhuǎn)化為機(jī)械能時(shí)，約90%的能量以熱能形式浪費(fèi)。而SC3601采用雙向轉(zhuǎn)換架構(gòu)，在壓電振子形變復(fù)位時(shí)，能將機(jī)械能反向轉(zhuǎn)化為電能回收，整體節(jié)電效率較傳統(tǒng)方案提升10倍。這意味著，搭載該芯片的手機(jī)能夠在實(shí)現(xiàn)高性能運(yùn)算的同時(shí)，將液冷系統(tǒng)的能耗大幅降低，從而在提供更強(qiáng)散熱能力的基礎(chǔ)上，顯著提升整體能效表現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了性能與續(xù)航的雙重優(yōu)化。
其次，高精度波形控制則解決了“流量穩(wěn)定性”難題。壓電微泵對(duì)驅(qū)動(dòng)波形的純度極其敏感，哪怕微小的諧波干擾都可能導(dǎo)致流量波動(dòng)。SC3601將總諧波失真加噪聲（THD+N）控制在0.3%的超低水平，讓冷卻液流量誤差不超過(guò)2%，實(shí)現(xiàn)對(duì)微泵的高精度、低噪聲控制，可實(shí)現(xiàn)更即時(shí)精確的反饋。
最后，集成化設(shè)計(jì)最終打破了“空間桎梏”。傳統(tǒng)方案需要至少5個(gè)分立元件才能驅(qū)動(dòng)壓電微泵，而SC3601將驅(qū)動(dòng)電路、控制模塊、保護(hù)機(jī)制集成在單顆芯片中，體積縮小至0.8mm2，僅相當(dāng)于一粒米粒的1/5。這種集成度使其能輕松嵌入智能手表、AR眼鏡等超小型設(shè)備，為可穿戴設(shè)備的“AI化”掃清散熱障礙。
在SC3601 出現(xiàn)之前，全球壓電微泵驅(qū)動(dòng)芯片市場(chǎng)幾乎被國(guó)際廠商壟斷，國(guó)內(nèi)廠商要么依賴進(jìn)口，要么因性能不足難以商用。南芯科技SC3601的高集成度與低功耗特性，使其可廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板、穿戴設(shè)備、觸覺(jué)反饋模組、鍵鼠等領(lǐng)域。它不僅解決了壓電微泵驅(qū)動(dòng)電壓高、波形質(zhì)量要求高的痛點(diǎn)，更在性能上直接對(duì)標(biāo)國(guó)際頭部廠商的同類型產(chǎn)品。
隨著南芯科技等國(guó)內(nèi)廠商的突破，壓電微泵液冷技術(shù)不再僅是實(shí)驗(yàn)室中的概念，而是正逐步走進(jìn)普通用戶的口袋、背包和桌面。在這場(chǎng)方寸之間的熱管理革命中，南芯科技以“芯”為筆，正在書寫國(guó)產(chǎn)芯片在高端驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的新篇章。
