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电动汽车驱动 ★ 4.0

具有芯片高度差的异构HBM-GPU封装集成微流道冷却

Integrated Microfluidic Cooling of Heterogeneous HBM-GPU Package with Die Height Difference

作者 Euichul Chung · Muhannad S. Bakir
期刊 IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology
出版日期 2025年9月
技术分类 电动汽车驱动
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 HBM - GPU模块 热管理 单相微流体冷却 热性能 性能 - 成本权衡
语言:

中文摘要

本文分析了具有台阶高度差异的异构集成高带宽内存(HBM) - 图形处理单元(GPU)模块的系统级热管理问题。不同功能和芯片尺寸的高功率小芯片的异构集成推动了与多芯片配置兼容的先进冷却解决方案的发展。通过利用计算流体动力学(CFD) - 传热(HT)分析,我们提出了补偿多芯片厚度不匹配的顶面单相微流体冷却解决方案,包括带有结构硅的扁平微通道针翅式散热器(F - MPFHS)和后向台阶微通道针翅式散热器(BFS - MPFHS)。以带有结构硅的传统强制风冷散热器为基准对热性能进行评估。HBM - GPU 模块的建模功率为 HBM 达 35 瓦,GPU 达 2000 瓦。对热阻、压降和性能系数(COP)等热工水力指标进行了评估。在最高流速 0.15 升/分钟时,F - MPFHS 和 BFS - MPFHS 分别以 169 毫瓦和 117 毫瓦的泵浦功率可将 HBM - GPU 的温度维持在 387 开尔文以下。台阶高度为 235 微米的 BFS - MPFHS 的 COP 比 F - MPFHS 高 45%,这是因为与 F - MPFHS 相比,其压降降低了 31%,热阻降低了 7.4%。研究揭示了设计方案之间存在性能 - 成本权衡关系,因为 BFS - MPFHS 尽管 COP 较高,但需要相对复杂的制造工艺。此外,还进一步研究了 GPU 功率缩放、动态随机存取存储器(DRAM)堆叠数量(8 层、12 层和 16 层)以及台阶高度变化的热影响。

English Abstract

System-level thermal management of heterogeneously integrated HBM-GPU module with step height variance is analyzed in this paper. Heterogeneous integration of high-powered chiplets with different functionalities and die sizes motivates the development of advanced cooling solutions that are compatible with multi-die configurations. By exploiting computational fluid dynamics (CFD) - heat transfer (HT) analysis, we propose top-side single-phase microfluidic cooling solutions that compensate for multi-die thickness mismatch, including a flat-microchannel pin-finned heat sink (F-MPFHS) with structural silicon and a backward-facing step microchannel pin-finned heat sink (BFS-MPFHS). The thermal performances are benchmarked with a conventional forced air-cooled heat sink with structural silicon. The HBM-GPU module is modeled up to 35 W from the HBM and 2000 W from the GPU. Thermal-hydraulic indexes, including thermal resistance, pressure drop, and coefficient of performance (COP), are evaluated. The temperature of the HBM-GPU can be maintained below 387 K at the highest flow rate of 0.15 LPM with pumping power of 169 mW and 117 mW for F-MPFHS and BFS-MPFHS, respectively. A 45% higher COP is calculated for BFS-MPFHS with a step height of 235 μm, owing to a 31% lower pressure drop with a 7.4% lower thermal resistance compared to F-MPFHS. A performance-cost trade-off relation between the design solutions is revealed, as BFS-MPFHS requires a relatively complex fabrication process despite its higher COP. The thermal impacts of GPU power scaling, the number of DRAM stacks (8-, 12-, and 16-stack), and step height variations are further investigated.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项针对HBM-GPU异构封装的微流道冷却技术具有重要的借鉴价值和应用潜力。随着我们光伏逆变器和储能系统向高功率密度、高集成度方向发展,功率器件的热管理已成为制约系统性能和可靠性的关键瓶颈。

该研究提出的单相微流道冷却方案能够在0.15升/分钟流量下,以仅117-169毫瓦的泵功耗实现2000W级芯片的有效散热,热阻显著降低。这种高效低功耗的散热技术对于我们的集中式逆变器和大型储能变流器(PCS)中的IGBT、SiC模块散热具有直接应用价值。特别是BFS-MPFHS方案通过优化流道结构实现31%的压降降低和45%的性能系数提升,为我们在功率模块热设计中提供了新思路。

从技术成熟度评估,微流道冷却技术在电子领域已有应用基础,但向功率电子领域迁移需要解决工质选择、长期可靠性和制造成本等问题。阳光电源可重点关注以下机遇:一是将该技术应用于新一代高密度逆变器,突破当前风冷散热的功率密度瓶颈;二是在储能系统的功率模块和电池热管理中探索液冷微通道技术的集成应用;三是结合我们在电力电子封装领域的积累,开发适配不同芯片高度差的标准化散热模块。

主要挑战在于制造工艺复杂度和成本控制,以及液冷系统在户外恶劣环境下的长期稳定性验证。建议通过与研究机构合作开展预研,优先在高端产品线进行技术验证,逐步建立适用于新能源装备的先进热管理技术平台。