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AI芯片散热新希望？科学家首次造出理论中的金属材料，导热率是铜的3倍_我的网站

A |     AI 的发展正在不断推高全球对算力的需求，随着以英伟达（NVIDIA）为代表的高端 AI 加速器功耗快速攀升，数据中心的机架功率密度将被推至 300 千瓦级别。    MacPad                    要来了？                    如果你想买一台新的MacBook Pro，或许可以再等等。         巨大能耗之下，散热成为不容忽视的关键问题：芯片消耗的电能几乎全部以热的形式耗散出来。                   比起刚刚发售、除了芯片几乎没有变化的M5 MacBook Pro，苹果真正在酝酿的大招，可能还在明年……                    这将是Mac产品线，甚至可以说是整个苹果电脑历史迄今，最重大的设计和功能调整，不仅违背了乔布斯的「祖训」，也打了库克的脸。                   一言蔽之：明年的MacBook Pro，将配备一块触控屏。

B | 而在目前的芯片热传导路径中，铜是散热扩散层、热管、蒸汽腔和封装基板的主力材料，导热率约为 400 瓦每米每开尔文（W/m·K）。一个世纪以来，这就是金属导热的真实性能上限。                   全新设计的MacBook Pro                    自M1 Pro开始，MacBook Pro的当前模具已经沿用五代，总体看下来赞赏多过批评。更圆润的机身和多样的接口，更强调实用主义和工具属性。再加上M系列芯片强大的性能和卓越的能效，让最近几年的MacBook Pro收到的好评远多于英特尔架构时代的前辈。

C |          今年年初，加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）萨缪利工程学院的胡永杰教授团队在《科学》（Science）发文，他们造出一种曾经只存在于理论中的金属材料：θ 相氮化钽（θ-TaN）单晶。实验发现，该材料的室温导热率可达 1,100 W/m·K 左右，接近铜的三倍。                   根据彭博社爆料，新款的MacBook Pro将会采用全新的设计，一个显著特征是，机身会比现在更轻薄。         （来源：Science）          θ-TaN 的 70 年发现之旅          1950 年代，德国化学家布劳尔（Brauer）等人在高温高压条件下发现，TaN 存在一种 θ 相。                   多年以来，苹果一直想打造「又轻薄又强大」的MacBook Pro。2016年的改款（当时去掉了MagSafe等一票接口并改换Type-C）就是为了这个目标而来。近年来，学界预测，θ-TaN 具备远超常规金属的本征导热率，潜在值接近金刚石和砷化硼。

D | 但此前有关 θ-TaN 的研究都停留在理论层面，高质量 θ-TaN 晶体始终未被造出，其导热性能也无从验证。         障碍主要在合成端。稳定 θ 相需要在数千摄氏度环境下对材料施加数吉帕（GPa）压力，加之氮化钽体系中存在立方（δ-TaN）、六方（ε-TaN）、四方（t-TaN）等多种竞争晶相，过往合成的样品几乎都是含有晶界、缺陷与混相的多晶粉末。然而遗憾的是，之后的五年时间里，苹果被性能又差、发热又厉害的英特尔处理器拖了后腿。

E |          而且，此前的理论分析也指出，如果 θ-TaN 晶体存在缺陷或杂质，其导热率会远低于理论值水平。         为解决这一难题，胡永杰团队与日本东北大学（Tohoku University）多学科先进材料研究所的孝广（Takahiro Yamada）等人合作，采用了一种名为助熔剂辅助复分解反应的技术：以金属钠同时充当还原剂和助熔剂，绕开传统高压合成路线，在富氮环境下直接将氧化钽转化为氮化钽单晶。         最终得到的 θ-TaN 单晶尺寸在 10 到 100 微米之间，表面光洁、单一晶相。

F | 团队进一步通过拉曼光谱、单晶 X 射线衍射（S-XRD）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、电子能量损失谱（EELS）等表征手段确认了样品的结构完整性，证实其特征与先前预测高度吻合。                   好在，苹果在2021年用M系列芯片以及新机身/接口设计，对MacBook Pro的口碑及时进行修复。但产品的厚度和重量已然不是苹果理想中的样子。以16寸MacBook Pro为例，重量达到2.14千克，和市面上大多数性能笔记本已经相差无几。

G |          成功造出单晶后，团队终于有了验证 θ-TaN 导热率的机会。                   如果能做得更便携，MacBook Pro无疑会比PC阵营再多出一个续航之外的优势。测量结果显示，在室温条件下，θ-TaN 沿 a 轴方向（六方晶格底面内）的导热率约为 1105 W/m·K，沿 c 轴方向（垂直于底面）约为 928 W/m·K，反映出 θ-TaN 导热性能的各向异性。

H | 而跨整个晶体扫描的空间分布测量显示，同一方向上导热率在样品各处保持一致，这表明测得的高导热率来自晶格本征行为，不是偶然现象。

I |                    事实上，在芯片制程足够先进的当下，把性能本做轻做薄已经不是苹果一家的追求，这两年已经看到一些Windows性能本在往「瘦身」的方向走，想要做出一些差异性。         θ-TaN 的优越导热性能与其特殊的晶体结构密切相关。         在微观层面，固体材料的导热由两类载体承担：一是自由电子的定向流动，二是晶格原子的集体振动。

J | 后者在量子力学框架下被定义为声子（phonon），类比电子传递电流，声子则在晶体里传递热量。                   把MacBook Pro做得更薄，除了对机身有更高的工程学要求，苹果也将对AB面开刀——如果你仔细观察，会发现不管是MacBook Pro还是MacBook Air，AB面都具有相当的厚度。                   因此，新款MacBook Pro上的OLED屏幕不止能带来比LCD更深邃的显示效果，也能显著压缩它的厚度。

K |                    Mark Gurman透露，MacBook Pro的OLED屏幕将对标iPad Pro，意味MacBook Pro很有可能会同样采用双层OLED技术，亮度和能耗表现都会更出色。

L |          在铜、铝、银等常规金属中，热传导主要由自由电子承担，但电子与声子的相互作用反而会消耗上述两条通道的输运能力；再者，其内部活跃的声子-声子散射会进一步削弱导热。但 θ-TaN 的特殊之处在于，其声子-声子的相互作用极弱，电子也几乎不与声子交换能量，同时把两条散射通道都堵上了。

M |                    而根据分析师郭明錤，MacBook Pro将采用on-cell触控屏幕，而不是全贴合的「in-cell」。         此外，钽元素的一个自然属性又提供了第三重加成。声子在晶格中传播时，如果遇到质量不一致的原子，也会发生散射，影响导热。                   至于大家关心的屏幕切口问题，好消息是刘海没了——但坏消息是，换成了类似iPhone的「胶囊打孔」……                    由于macOS 26已经能同步iPhone上的实时活动卡片，打孔屏的新MacBook Pro看来也能用上「灵动岛」了。但钽几乎是单一同位素元素，天然钽中 ¹⁸¹Ta 同位素的丰度高达 99.988%，原子质量差异导致的散射在 θ-TaN 上天然被削弱。

N |          这些特性让热量可在 θ-TaN 晶格中以罕见的低阻尼状态传输，接近“晶格对热运动透明”的理论极限。                   新设计当然值得期待，但更重磅的，自然还是「触控Mac」。         以金属之躯，达到金刚石级别的导热性能          需要注意的是，θ-TaN 只打破了金属材料维持一百多年的导热率纪录，还有导热性能更好的非金属材料，比如金刚石（俗称钻石）。                   彭博社称，苹果内部已经在开发加强型铰链和屏幕硬件，让用户在笔记本电脑屏幕上触控操作时不会出现异常的反弹或移动——这也是触控屏电脑/2-in-1电脑的常见痛点。         天然金刚石的导热率可达 1,500~2,200 W/m·K，超纯合成金刚石可达 3,000 W/m·K。目前，工业上已在探索用化学气相沉积（CVD）金刚石薄膜作为热扩散层，直接键合至逻辑计算芯片的背面，用于台积电 CoWoS 等 2.5D/3D 先进封装。                   由于总体的零部件价格更高，新款MacBook Pro的售价会比目前高出几百美元。         图 | 单晶 CVD 金刚石薄膜（来源：WikiPedia）          但金刚石有三个显著短板：生长速度慢、能耗高，制造成本居高不下；再者，金刚石是电绝缘体，加入电气路径时需要多一道工艺；最后，作为已知最硬的材料，对金刚石进行切割、抛光、打孔都极其困难，与硅工艺的兼容性偏弱。                   和往常一样，MacBook Pro的新设计也将会在晚些时候下放到MacBook Air上，目前预计首款采用OLED屏幕的MacBook Air在2028年推出。

o |                    MacBook Pro，还是iPad Pro？                    长久以来，苹果内部对「触控电脑」这个概念并不积极。                   乔布斯认为，用手指点触垂直的笔记本屏幕的交互不符合人体工学；而不久后或将离任CEO的蒂姆·库克也公开表示过，将平板和笔记本电脑结合起来的想法，就像「把烤面包机和冰箱融为一体」。

p |          面对这些劣势，θ-TaN 的金属属性，及其与现有芯片封装工艺天然亲和，让它有望成为比金刚石更优的选择。         首先，氮化钽薄膜本身就是集成电路制造中常用的扩散阻挡层材料，目前的铜互连工艺广泛使用氮化钽作为衬垫。                   ▲2017年库克来参加中国发展论坛时，被提供了一台「烤面包机+冰箱」                    还有一个不容忽视的问题：MacBook产品的屏幕是出了名的高素质，也是出了名的不耐刮，直接上下其手很容易对涂层造成破坏。即使是现在的MacBook，屏幕磨蚀也是通病了。                   不过，整个笔记本市场，和MacBook定位相似的其他产品，几乎都配备了触摸屏，消费者对MacBook增加触控支持的呼声，也越来越大了。θ-TaN 如果能以薄膜形式沉积，就能无缝衔接现有产线，无需引入额外工艺。                   虽然对于典型电脑用户来说，触控交互远不如键鼠方便。         此外，它既能充当芯片背面的热扩散层，也可以作为热界面材料（TIM）的高导热填料，甚至有可能在高功率射频器件和电力电子模块中，成为兼具导电与导热功能的一体化互连层，光这一点，就是绝缘的金刚石做不到的。但考虑到那些自出生起就和智能手机、平板打交道的年轻一代而言，一款强大的笔记本电脑，能够用手指触控交互，似乎也不是什么歪理邪说。

q |                    除了人体工学和交互这些更「产品哲学」的理由，彭博社的苹果专家Mark Gurman推测苹果迟迟不给MacBook触摸屏还有一个更商业的原因：担心会影响iPad的销量。                   但给iPad增加触控板和键盘，也不能取代一台MacBook——正如这个逻辑，拥有触控屏的MacBook，应该也只是锦上添花。用户90%的时间还是会继续用屏幕下方的键盘和触控板，和iPad无法构成竞争关系。         不过，团队也指出，受限于产能和制备难度，θ-TaN 短期内不太可能替代铜、铝等块状散热器材料，更现实的应用形态是被置于芯片和散热器之间，充当高导热中间层，功能类似上文提到的 CVD 金刚石薄膜。而且，TaN 的 θ 相在常温常压下是亚稳相，未来要进入产业，还需评估其长期热稳定性。                   根据郭明錤的爆料，苹果内部给MacBook增加触摸屏的理由，是「在一些场景对用户更有用」，例如精准放大、旋转一些图片的素材，调整视频的进度条，也为支持Apple Pencil提供了可能。                   可以预见的是，苹果不会只单纯地把一块触控屏幕塞进MacBook，未来的macOS也会做出相应的改变，将整个系统的交互能够配合指尖交互。         造出 θ-TaN 之后，这项研究更重要的意义或许在于，团队进一步释放了金属材料的导热潜力。                   这就不得不提到Touch Bar，虽然它不算成功，但也说明苹果其实早就对Mac创新触控交互有所想法。                   而iPadOS 26的「Mac化」，反过来也可以说是在为未来的触控Mac探索进行交互和功能。Mac也早已能运行iPad应用，两者之间的差异正在逐渐减少。论文显示，除了 θ-TaN 之外，氮化钨、磷化钼等过渡金属化合物的电子-声子耦合也偏低。

r |                    实际上，比起扶不起的iPad，这几年的Mac可谓是乘上M芯片的风实现起飞：根据统计机构IDC，Mac在今年第二季度出货620万台，较同期大涨21.4%，远超PC厂商。这为行业和学界提了个醒，或许可以对这些物质进行系统性地合成和测量，筛出更多具备高导热性质的金属材料。StatCounter统计，Mac的全球份额也已经上升到15%。         参考内容：          https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.aeb1142          运营/排版：何晨龙               注：封面/首图由 AI 辅助生成。                   虽然IDC数据显示，iPad上季度出货量是Mac的两倍，但是主力军还是搭载A芯片的入门级iPad。苹果这几年下力气推的iPad Pro，Mark Gurman表示销量不算亮眼。

s |                    M芯片已经是苹果Mac产品体验的独特优势，但也带来了巨大的花销。每一代M芯片都耗费数亿美元研发成本，但只能领先短短一两年。芯片的制造成本更不容忽视，一块M1芯片成本约50美元，每提升一级翻一倍，而M1 Ultra更是高达500美元。                   为了摊薄成本，苹果把这些M芯片引入到更多产品线：Mac、iPad，甚至Vision Pro。这三者中，只有Mac出货量还在快速扩张，为其开发新设计新功能的回报率更高。                   更深层的原因是，用户交互和使用场景变迁，坚守Mac和iPad的泾渭分明，可能意义已经不大了。                   爆料中M6 MacBook Pro的更轻薄机身，也暗示了两者合流的可能性。它不会像十年前那样，为轻薄而轻薄，性能和可靠性成为牺牲品，而是根据M6芯片的能力量体裁衣，做到轻薄和性能的平衡。                   其释放出来的便携性，会创造单纯堆性能无法带来的新价值，这其实也是苹果一直以来对iPad Pro的期待。

t |                    未来两者的界面与应用，甚至形态上也会越发相似，就像生物学上的「趋同进化」——两者本来是不一样的物种，最终朝同一个方向改变。                   比如，一些本来不是蟹的甲壳类动物，由于长期生存在特定环境里，变得越来越像螃蟹，这种趋同进化的现象名为「蟹化」，螃蟹也因此被戏称为「生物进化的终点」。                   就像是平板电脑刚诞生的时候，本来是「大号手机」(phablet)，现在各家都在把它做成「笔记本电脑」，再加上触控屏，键盘可以360度翻转。

u |                    「PC平板二合一」产品似乎成为了一种各家都在追求的「螃蟹」，即使大部分用户还是继续把平板当大号手机，笔记本也主要在用键鼠交互。                   iPad和MacBook的交点或许会比我们想象中更早到来。著名苹果供应链分析师Ross Young透露，苹果正在打造的折叠设备不止有iPhone Fold，还有一款18寸大屏折叠设备。                   不过彭博社最新的消息显示，苹果目前在这台设备的开发工作上碰壁，面临重量、功能和显示技术等工程挑战，发布日期预计推迟到2029年或更晚。                   和发布日期一样谜团重重的，还有这款产品的定位：它究竟是会是一台iPad，还是一台Mac呢？                    或许两者都是，因为这两者在未来最大的区别，可能只有搭载的系统名字不同。

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Published on:10:45:14