机械行业一周解一惑系列：多领域散热材料、工艺的发展历史与路径演绎

本周关注：精测电子、弘讯科技、电光科技、汇川技术本周核心观点：关注人形机器人产业催化及通用复苏 CPU/GPU算力、功率的提升持续拉动散热相关需求，且有加速态势。根据PassMark评分数据，2001年2020年，Intel/AMD的CPU芯片单核/多核性能均持续提升。同时根据Techspot的相关研究，CPU和GPU的算力（或处理能力）大部分由它们的晶体管密度决定，而每个晶体管都会在电流通过时产生热量，因此晶体管密度的提升带来了热量的提升；同时市场上大多数的CPU都能以高于其基本频率的速度运行。另一方面，由于AI算力需求的快速提升，相关CPU/GPU的功率提升也呈现加速态势。以GPU为例，主要用于游戏等领域的携带图像处理能力的GPU，从2004年的G70至2022年的AD102，18年期间功率提升近5x至约450W；对比看用于AI领域的V100/A100/H100，2017-2023年每间隔3年功率提升1.6x/1.75x至700W 芯片级散热材料与工艺的演变，风冷走向液冷。散热器最先以风冷方式出现，早期为一体成型的挤铝下压式散热器， 铝材便宜易加工，但导热效率(237W/(M·K))只有铜的二分之一(401W/(M·K))，因此出现了塞铜式散热器。就散热器形态而言，早期为下压式散热器，更新的塔式散热器能够通过侧吹的方式提高散热效率。随CPU功率提高，散热器开始与热管、鳍片等器件搭配组成性能更高的散热模组，并且出现散热效率风高的水冷散热器。芯片类散热（包含CPU/GPU）主要有风冷和水冷两种解决方案，相同规格功耗下，水冷散热能力更强，但价格昂贵，高端市场使用多。 市场空间。根据Market Watch统计，全球热管市场规模在2022年达到了30亿美元，预计热管2028年市场规模将达到46亿美元，2022-2028期间CAGR为7.48%。全球热管主要厂商有FURUKAWA、Innergy tech、Advanced Cooling Technologies、Fujikura、Aavid Thermalloy、Asia Vital Components等。2022年全球均热板市场规模大约为46亿元人民币，预计2029年将达到137亿元，2023-2029期间CAGR为14.2%，均热板全球市场主要生产商主要Auras、CCI、Jentech、Taisol和Fujikura等。 新能源车领域也有相关产品应用。1）汽车电动化带动汽车PCB需求稳健增长，该部分的散热需求与电子领域的相似；2）高压快充带来新的散热需求。 对于此类热流密度较高的设备，液冷系统具有更高的换热效率，与风冷相比，不仅可以缩小换热设备体积，还可以实现温控。大功率充电连接器冷却系统主要由液冷泵站、循环管道、散热器、冷却液等组成，循环管道内置于充电电缆中，液冷泵站安置在充电桩内部，当冷却系统开启时，冷却液通过循环管道带走热量并进入散热器冷却，从而保证大功率充电连接器在合理的温度范围内工作。液冷充电枪是目前很流行的降低热损耗的办法，供应商目前正在整合液冷与DC快充技术进一步提高功率。 投资建议：伴随算力提升，建议关注英特科技、中石科技、富信科技 风险提示：1）AI对算力需求的持续性不及预期；2）相关产品性能优化取得技术突破，导致制冷散热需求低于预期 1散热需求提升的历史回顾 1.1处理器的功耗随着算力的提升而提升 在CPU领域，我们以PassMark的数据为例，这是一个由用户提交的全球统计数据，包括个人电脑安装的CPU，但不包括游戏机。数据反映的是单核和多核性能的年度平均值。 图1：2001-2020单核CPU性能 图2：2001-2020多核CPU性能 在GPU领域，AMD和NVIDIA在过去的十年中都取得了显著的技术创新。 在性能、性能/美元、能耗、性能/晶体管等多个方面，我们都可以看到AMD和NVIDIA的GPU技术的改进。 1.2下一代CPU将需要更强大的冷却解决方案 CPU和GPU被归类为VLSI（Very Large Scale Integration）电路，这是由数十亿的晶体管、电阻和其他微观电子组件组成的巨大集合。芯片需要电流来执行任务。这些组件都有一定的电阻，电流通过时会产生热量。每个处理器包含数十亿个晶体管，即使每个晶体管的电阻都非常小，他们的累积效应也会产生相当大的热量。例如，一块典型的CPU可能只有几毫欧的总内阻，但是当有80A或更多的电流通过时，由于电阻而消耗的能量将超过90 W(每秒)。这些能量被传递到构成整个芯片的材料，这就是每个处理器在工作时都会变热的原因。芯片需要主动冷却以防止其温度过高，因此所有的热量都需要被排出。如果处理器正在“损失”能量（以热的形式），它将需要不断地“消耗”能量以保持正常运行。换句话说，正在丧失的热量几乎等同于芯片的功率等级。 而近年来，CPU和GPU内部的晶体管密度在不断增加，这使得它们能够执行更多的计算任务。 图3：晶体管密度（黑线）与时间 CPU供应商一直通过一个简单的数字来说明其处理器的功耗：热设计功耗或TDP，为标准功耗。然而市场上几乎所有的CPU都能以远高于其基本频率的速度运行。Pl2为cpu规定的最大功率，我们可以将PL2视为CPU的实际最大功耗。 随着晶体管密度的增加，其所需电流更多，它们的功耗也正稳步提升。 图4：CPU最大功率的提升（红色为最大功率） 图5：GPU功率随时间提升 CPU和GPU的算力（或处理能力）大部分由它们的晶体管密度决定。这是因为在基本层面上，晶体管就是这些处理器执行所有任务的基本组件。 图6：GPU算力随晶体管密度提升而提升 更密集的晶体管意味着更高的热量生成，因为每个晶体管都会在电流通过时产生热量。这就需要更有效的冷却解决方案来防止处理器过热。 而在用于计算的GPU系列，V100/A100/H100的功耗同样随着算力提升而稳步提升。 图7：图3:V100/A100/H100功率（w） 图8：图4:V100/A100/H100FP16算力（PFLPOS） 据DigiTimes报道，散热组件供应商预计随着2022年下半年新一代显卡的亮相，会刺激散热组件的需求。GeForce RTX 40系列的TDP高达600W，而Radeon RX 7000系列功耗高达300W。采用优质材料的高性能散热组件意味着显卡的成本变得更高，对散热组件供应商而言，将会有更大的利润空间。散热解决方案供应商Auras Technology董事长兼总裁林育深表示，预计服务器用散热模块将成为2023年业务增长的主要来源，相应的收入比例将上升至30% 随着处理器功率和密度的增加，需要更强大和更有效的冷却解决方案来保持设备的正常运行。这就为冷却组件供应商提供了更大的市场，通过提供高性能的冷却解决方案来获得更大的利润。 其次，随着AI和加速计算的发展，数据中心的冷却需求也在增加。数据中心的冷却是一个重要的问题，因为它直接影响到数据中心的运行效率和能源消耗。 因此，解决这个问题需要投入大量的研发资源，这也为冷却技术的研发和应用提供了资金支持。 1.3海外龙头散热器件与材料公司 表1：海外龙头公司 2芯片（CPU/GPU）散热 2.1芯片散热材料演变 散热器最先以风冷方式出现，早期为一体成型的挤铝下压式散热器，铝材便宜易加工，但导热效率(237W/(M·K))只有铜的二分之一(401W/(M·K))，因此出现了塞铜式散热器。就散热器形态而言，早期为下压式散热器，更新的塔式散热器能够通过侧吹的方式提高散热效率。随CPU功率提高，散热器开始与热管、鳍片等器件搭配组成性能更高的散热模组，并且出现散热效率风高的水冷散热器。 图9：芯片散热材料和散热器发展历程 2.2风冷和水冷散热方式对比 芯片类散热（包含CPU/GPU）主要有风冷和水冷两种解决方案，相同规格功耗下，水冷散热能力更强，但价格昂贵，高端市场使用多。 表2：芯片风冷散热与水冷散热方式对比 2.3水冷散热器零部件及工作原理 水冷散热模组主要包含冷排、水管、风扇、冷头等零部件，分为一体式水冷与分体式水冷，二者工作原理相同，但零部件组装方式存在不同。以一体式水冷为例，冷头内部含有泵机，工作时冷头一面直接接触CPU表面，另一面采用CNC工艺敲出的大量凹槽（微水道），冷水流经微水道被CPU产生的热量加热，经过泵机带动水流，流经水管进入冷排，冷排内部有很多水路，水路之间镶嵌有大量鳍片，热量传递给鳍片后经由冷排上方风扇散热，降温后的冷水再次回流，经水泵循环的冷液，带走冷头上从核心吸收的热量。冷排的尺寸很大地影响散热效率，目前市面常见尺寸有120mm，240mm和360mm。目前CPU冷头和显卡冷头主要都适用铜底导热，市面CPU水冷冷头设计主要有两种，一种是普通铜柱型，另一种是喷射式，喷射式冷头在铜柱基础上能够将水通过狭小的喷嘴快速喷射到不铜板底部，提升局部流速并且形成乱流，使水冷液的吸热效率大为提高，喷射式冷头水阻较大，对水泵扬程要求更高。显卡冷头分为单核心、半覆盖和全覆盖式冷头。水冷散热的工作原理和零部件构造如下表所示。 图10：水冷模组泵机工作原理示意图 图11：水冷模组冷排示意图 表3：水冷散热模组零部件工作原理及加工流程 2.4风冷散热模组零部件及工作原理 风冷散热模组的工作原理为，CPU/GPU工作时产生的大量热量传递给散热器，导致散热器升温，在风扇作用下散热器与周围空气进行热传递，当散热器散发的热量与CPU最大功耗时产生的热量相等时，温度达到平衡稳定状态。 风冷散热模组主要包含三个组成部分：1）热管（Heat Pipes）或均热板（Vapor Chamber）；2）散热鳍片（Fins）；3）散热风扇或涡轮。这三个部分之间常搭配导热材料和焊接等工艺加速热量传导。热管与鳍片的接触方式主要有两种，一种为“穿Fin”，热管直接插入鳍片；另一种为金属焊接。热管与CPU/GPU核心的接触方式主要有两种，一种是直触，直接把热管加工到大概形状后对底面进行打磨并贴在核心上，这种加工方法成本低，但容易发生形变，主要用于中低端；中高端采用铜底更多，加工中把热管穿插焊接在一个铜块内，或用带凹槽的铜块将热管夹在中间，热量先由铜底吸收再传递到热管上，这种方式使用寿命长、传热均匀，成本更高。 图12：热管工作原理示意图 图13：均热板工作原理示意图 风冷模组零部件的工作原理和加工流程如下表所示 表4：风冷散热模组零部件工作原理及加工流程 2.5市场空间及主要相关公司 当前数字基础设施建设已经成为“十四五”时期及未来一个时期我国经济实现高质量发展的重要基础。2023年初以来，以OpenAI公司ChatGPT为代表的生成式AI在引发市场广泛关注，AI技术带来算力的大幅提升。根据《冷板式液冷服务器可靠性白皮书》，2022年英特尔第四代服务器处理器单CPU功耗已突破350瓦，AI行业头部企业的单GPU芯片功耗突破700瓦，高算力场景将对芯片散热带来巨大的挑战，热管理解决方案正迎来爆炸式需求。 据MarketWatch统计，全球热管市场规模在2022年达到了30亿美元，预计热管2028年市场规模将达到46亿美元 ，2022-2028期间CAGR为7.48%。全球热管主要厂商有FURUKAWA、Innergy tech、Advanced CoolingTechnologies、Fujikura、Aavid Thermalloy、Asia Vital Components等。2022年全球均热板市场规模大约为46亿元人民币，预计2029年将达到137亿元，2023-2029期间CAGR为14.2%，均热板全球市场主要生产商主要Auras、CCI、Jentech、Taisol和Fujikura等，国内主要有中石科技与富信科技。 表5：芯片散热相关公司及产品介绍 2022年5月24日英伟达宣布推出首款运用直接芯片（Direct-to-Chip）技术的液冷式GPU，该方案应用在A100