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到底什么是趋肤效应?

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前段时间小枣君介绍光通信CPO技术的时候,很多读者问:为什么一定要用光替代铜?为什么光通信的传输损耗比电通信低?

其实,这背后的关键,就是一个重要的物理学效应——趋肤效应。

不仅是光通信,在射频天线设计、半导体封测等各个领域,趋肤效应都在产生重要的影响。

今天这篇文章,小枣君就和大家解读一下这个概念。

█什么是趋肤效应

趋肤效应,简单来说,就是当交流电在导体(电线)中传输时,电流会集中在导体的表层流动,而导体中心的电流极小。

而且,交流电的频率越高,电流会越靠近导体的表面。


不同频率下,导体上的电流密度分布

(从左到右,随着频率增加,电流更靠近表面)

有一个叫“趋肤深度”的概念,是指趋肤效应下,电流密度衰减到表面值的约37%(1/e)时,所对应的导体深度。

举个例子,铜导体在常规50Hz频率(家里交流电的频率)下,趋肤深度是9.2毫米。而在100MHz频率下,趋肤深度缩小至约6.6微米(0.0066毫米),相当于人类头发直径(约0.07毫米)的1/10。


家里普通电线(1.5平方)的直径是1.38毫米。传输50Hz交流电,趋肤效应影响不大。但对于100MHz交流电(电信号),电流都集中在电线表面非常非常浅(0.0066毫米)的那层。

这就导致:导体的有效通流面积减小、导体材料浪费、等效电阻升高、发热量增加、输电损耗增加、信号衰减增加、传输距离缩短。

反正都不是好事。所以,业界很讨厌趋肤效应,都希望尽量消除它的影响。

█趋肤效应的产生原因

我们简单说说趋肤效应的产生原因。(这部分的内容,稍微有点复杂。但是,只要有一点中学物理的基础,就能看懂。实在看不懂,就跳过。)

在导体上通电,就有电流,电流会产生磁场。交流电是方向和电流循环变化的电,电流变大时,磁场也跟着变大。


根据楞次定律(感应电流的效果,总是反抗引起感应电流的原因),导体内部会感应出反向磁场,阻碍原磁场增大。


这个反向磁场,由一个个感应小涡流产生。涡流在导体内侧,与原电流方向相反,从而削弱内层电流;而在导体表面,涡流与原电流方向一致,反而增强表层电流。


这就形成了电流“挤”向导体表面的奇特现象。交流电频率越高,效应就越明显。

直流电,电流大小和方向不变,磁场稳定,所以不会产生额外的感应效应,电流能均匀分布在整个导体截面,没有趋肤效应。

█趋肤效应产生的影响

趋肤效应是电能输送和电信号传输的主要障碍。

通常来说,对抗趋肤效应,有几个方法:

一、采用多根独立绝缘导体绞合或编织而成的利兹线结构。

大家会发现,我们几乎很少看到那种很粗的纯金属线,反而经常看到那种像麻花一样拧在一起的细铜丝。之所以搞这么复杂,就有一部分原因是为了对抗趋肤效应。一根导线变成多根导线,总的表面积会增加。


二,将导体表面镀银或其它低电阻率材料。

银的导电率比铜高约5%。既然电流都挤在表面,那就在表面镀一层银,相当于把最活跃的电流通道“升级”为更优导体。

三,使用空心导管替代实心导线。

反正中间也没什么电流。这样的话,既减轻重量又节省材料,同时保持足够表面积。

以上三种方法,是对抗趋肤效应的常规操作。例如,在高压输电线路中,经常会采用钢芯铝绞线‌。外层用的是铝,导电性好、成本低。中心是钢芯,机械强度高,可以承担承重拉力。


电能输送场景,交流电频率不高。但是,电通信场景,情况就不一样了。

现在为了提升通信速率和容量,都会采用高频电信号,频率MHz起步,甚至达到GHz。这种高频,就意味着会带来非常强烈的趋肤效应。

目前,业界单通道数据速率已经狂飙到224Gbps,下一代甚至将要达到448Gbps。有数据指出,如果按448Gbps来算,趋肤深度将压缩至0.2微米。

这是极为恐怖的薄度,是头发直径的1/350。海量的电子,要拥挤在如此狭窄的空间里运动,难度可想而知。这时,导体表面的氧化层、微观粗糙度,甚至晶界散射,都将成为不可忽视的影响因素。

以表面粗糙度为例。

金属导体表面不是绝对平整的,会有一些凹凸不平。我们肉眼完全看不出来,但是,对于高频场景下的高速电子而言,无异于在崎岖不平的山路奔跑,会转化为极其恐怖的能量损耗与发热。这意味着,信号根本传不远。

如果你真的把导体表面打磨至原子级平整,那么,又要面对缺乏附着力的问题。在很多场景(例如半导体封装)中,铜是需要和树脂基板等材料进行贴合的。太过光滑,会导致这些材料根本粘不上,直接脱落。

所以说,趋肤效应,在高频通信与高速互连领域,已成为制约性能提升的关键物理瓶颈。

5G毫米波通信、数据中心通信、高速PCB设计及超导磁体等领域,都面临这个问题。

最具代表性的,就是这个数据中心通信。

现在AI这么火爆,带动了智算中心和智算集群。这些场景,对数据传输速率和带宽需求呈指数级增长。从400G到800G,再到1.6T,甚至正在规划3.2T互连方案。

如果采用电通信、铜连接,就会面临严峻挑战。现在业界拼了老命,才把(SerDes和ASIC交换芯片的)极限速率推进到224Gbps级别。在这个级别,电信号传输短短1厘米,就会产生高达几个dB的衰减。

相比之,如果采用光纤通信,传输1厘米的损耗小于0.2dB。光通信的工作频率,可是远远高于100GHz的,达到184~353THz(太赫兹,1THz=1000GHz)。

电信号对比光信号,在波的传输效率上差了1000倍,频率差1000倍,传输距离差1000倍。换做是你,该怎么选?

显然是选光通信。所以,这就是光进铜退的核心驱动力,也是发展CPO(共封装光学)等技术的主要原因。

CPO技术,是将光引擎与交换芯片直接集成在同一封装基板上,从而最大限度压缩电信号在铜互连中的传输距离——从传统可插拔光模块的数米,压缩至厘米级甚至毫米级,使电信号仅需在芯片封装内部完成最后一段“冲刺”,以规避趋肤效应带来的严重衰减与失真。


光信号完全取代电信号,目前还做不到。因为计算芯片仍然是电信号,光计算还很遥远,光电转换暂时不可避免,只能尽量压缩整个通信过程中的电占比。

英伟达的NVL72超节点,采用铜连接和电信号,是迫不得已。一方面,光通信技术还未吃透,成本(光模块)也比较高,另一方面,电通信勉强还能死撑。NVL72只有一个机柜,电信号的传输极限,无法支撑更远距离(跨机柜)的互连需求。

华为的昇腾384超节点,采用光通信,所以可以实现跨机柜互联,组成16个机柜的规模。但是,百米级(一个模块化机房的范围)也是极限了。再远的话,难度也很大。

英伟达现在花了很大的资源在CPO技术上,还收购了光通信企业,就是希望打造顶级的Spectrum-X系列CPO交换机,解决AI算力集群通信问题和规模问题。

█最后的话

好啦,以上就是关于趋肤效应的介绍。看到这里,大家应该明白了,光通信爆炸式发展的底层逻辑,就藏在趋肤效应里。(当然了,电信号还包括信号串扰等其它缺陷。)

在当前的需求背景下,电信号往高频发展是必然趋势。而趋肤效应,是无法绕开的物理极限。因为克服不了这个物理极限,所以,我们才不得不转向光通信与CPO等创新架构。

趋肤效应带来的电阻剧增、信号衰减与相位畸变,在电芯片中也同样存在。半导体封装的很多关键环节,也受到趋肤效应的制约。

我们不得不好奇——如果趋肤效应是电信号无法克服的死结,而光信号是最优解,那么,未来,我们什么时候可以实现光计算的商业化?光计算会取代电计算吗?还是说,会有别的什么量子计算、生物计算,抑或更底层的核心技术革命?

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