全面散熱（一）

量子電腦、記憶體計算（in-memory computing）、矽光子、銅混合鍵合（copper hybrid bonding）、氮化鋁基板／晶圓、氮化矽基板／晶圓等，這些新技術有什麼共通點？ 
 
在進入詳細討論之前，我們先退一步看半導體過去的發展考慮。成本、效能、功耗等3個面向一直是半導體過去技術發展的主軸。成本以前靠製程微縮和良率提升，效能提升也靠微縮。功耗問題面向較為多樣化，節省能耗基本上靠降電壓、使用低電阻材料和設計優化等，處理廢熱的手段就更複雜了。 
 
上述3個面向的進展需要有權衡的考慮—工程一向是綜合效能的權衡問題。資深的電腦使用者應該記得過去有一段時間的個人電腦中裝有風扇，也就是說當時要求CPU效能的大幅邁進，迫使散熱手段必須升級，外延到在系統層級另外加風扇氣冷的手段。之後CPU的線路設計業界有個默契，控制CPU發熱在單靠IC自然氣冷散熱就足以應付的程度，惱人的風扇聲就暫時從辦公桌上消失。 
 
晶片中的能耗機制主要有2種：一種是電晶體開關的能耗。目前一個狀態切換（switch）的能耗大概是在飛焦耳（femto joule）的數量級；另外一種是焦耳熱（joule heat），就是電子流經金屬連線因為電阻所產生的廢熱。由於金屬連線的寬度在製程長年的微縮下變得愈來愈細，電阻不容易再下降，晶片的效能又愈來愈高、傳送的訊息愈來愈多。焦耳熱在目前的von Neumann計算架構下是熱耗散的主要源頭。 
 
廢熱如果無法及時排出，可能會使晶片、系統失效甚或損毀。解決的源頭自然是從降低能量使用開始，然後才是排放廢熱的處理。 
 
散熱的手段有3種：輻射、傳導和對流。輻射的功率正比於溫度的四次方，對於晶片這樣的低溫，輻射的散熱效率是遠遠不夠的，所以半導體或電子系統的散熱方法通常是傳導和對流的結合。 
 
氮化鋁和氮化矽都是半導體業界所熟悉的材料，現在也用做散熱材料。氮化鋁的導熱係數高；氮化矽的導熱係數雖然稍低，但是其他機械特性如強度和斷裂韌性都很高，綜合性能最佳。這二者目前都已製成陶瓷基板/晶圓，用於功率模組的隔熱板、或做為外延（epitaxy）功率元件的晶圓基底。這是以高導熱率材料來散熱的辦法。如果需要的話，在基板／晶圓底下還可以用活性金屬釬焊法（Active Metal Brazing；AMB）加上一層銅，提高散熱效率。 
 
更積極些的辦法是減少電源及訊號傳導所發出的焦耳熱。 

矽光子是以光訊號來替代電訊號。理論上光訊號的傳導是不耗能的，自然也不會有廢熱，可以極大程度的避免焦耳熱的產生。這是為什麼矽光子預計在2025年會進入量產的主要動力之一—人工智慧誘發的大量計算，使得現有的電訊號傳送方式快要讓功耗和散熱難以負荷。
 
3D封裝中的銅混合鍵合讓數個異構（heterogeneous）晶片間原有的金屬連線，變成堆疊晶片上重分布層（Redistribution Layer；RDL）的直接對口銅金屬鍵合，大幅縮短晶片之間原先金屬連線的長度，所以焦耳熱是降低了。但是3D封裝也大幅提升晶片的集積度，使得原本已然艱難的散熱問題更加惡化。譬如原先用2.5D封裝的高頻寬記憶體（High Bandwidth Memory；HBM）與CPU/GPU，在改為3D封裝之後，居於最底層的邏輯晶片由於上層的記憶體晶片層數增加，勢必要處理更多的資料運算，因此散熱的負擔更加沉重，這就是進行式的挑戰。 
 
記憶體計算的想法更為激進。如果電腦依照von Neumann架構運作，資料必須在CPU與記憶體間反覆傳遞，這是焦耳熱產生的最主要原因，那就乾脆把二者合併為一，就沒有兩個晶片間相互傳送的問題。這不算是原始創意，因為人腦就是這麼運作的。只是這方向的研究還在摸索中。