到底什么是趨膚效應(yīng)？

前段時(shí)間小棗君介紹光通信CPO技術(shù)的時(shí)候，很多讀者問：為什么一定要用光替代銅？為什么光通信的傳輸損耗比電通信低？

其實(shí)，這背后的關(guān)鍵，就是一個(gè)重要的物理學(xué)效應(yīng)——趨膚效應(yīng)。

不僅是光通信，在射頻天線設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體封測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域，趨膚效應(yīng)都在產(chǎn)生重要的影響。

今天這篇文章，小棗君就和大家解讀一下這個(gè)概念。

█什么是趨膚效應(yīng)

趨膚效應(yīng)，簡(jiǎn)單來說，就是當(dāng)交流電在導(dǎo)體（電線）中傳輸時(shí)，電流會(huì)集中在導(dǎo)體的表層流動(dòng)，而導(dǎo)體中心的電流極小。

而且，交流電的頻率越高，電流會(huì)越靠近導(dǎo)體的表面。

不同頻率下，導(dǎo)體上的電流密度分布

（從左到右，隨著頻率增加，電流更靠近表面）

有一個(gè)叫“趨膚深度”的概念，是指趨膚效應(yīng)下，電流密度衰減到表面值的約37%（1/e）時(shí)，所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)體深度。

舉個(gè)例子，銅導(dǎo)體在常規(guī)50Hz頻率（家里交流電的頻率）下，趨膚深度是9.2毫米。而在100MHz頻率下，趨膚深度縮小至約6.6微米（0.0066毫米），相當(dāng)于人類頭發(fā)直徑（約0.07毫米）的1/10。

家里普通電線（1.5平方）的直徑是1.38毫米。傳輸50Hz交流電，趨膚效應(yīng)影響不大。但對(duì)于100MHz交流電（電信號(hào)），電流都集中在電線表面非常非常淺（0.0066毫米）的那層。

這就導(dǎo)致：導(dǎo)體的有效通流面積減小、導(dǎo)體材料浪費(fèi)、等效電阻升高、發(fā)熱量增加、輸電損耗增加、信號(hào)衰減增加、傳輸距離縮短。

反正都不是好事。所以，業(yè)界很討厭趨膚效應(yīng)，都希望盡量消除它的影響。

█趨膚效應(yīng)的產(chǎn)生原因

我們簡(jiǎn)單說說趨膚效應(yīng)的產(chǎn)生原因。（這部分的內(nèi)容，稍微有點(diǎn)復(fù)雜。但是，只要有一點(diǎn)中學(xué)物理的基礎(chǔ)，就能看懂。實(shí)在看不懂，就跳過。）

在導(dǎo)體上通電，就有電流，電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。交流電是方向和電流循環(huán)變化的電，電流變大時(shí)，磁場(chǎng)也跟著變大。

根據(jù)楞次定律（感應(yīng)電流的效果，總是反抗引起感應(yīng)電流的原因），導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)感應(yīng)出反向磁場(chǎng)，阻礙原磁場(chǎng)增大。

這個(gè)反向磁場(chǎng)，由一個(gè)個(gè)感應(yīng)小渦流產(chǎn)生。渦流在導(dǎo)體內(nèi)側(cè)，與原電流方向相反，從而削弱內(nèi)層電流；而在導(dǎo)體表面，渦流與原電流方向一致，反而增強(qiáng)表層電流。

這就形成了電流“擠”向?qū)w表面的奇特現(xiàn)象。交流電頻率越高，效應(yīng)就越明顯。

直流電，電流大小和方向不變，磁場(chǎng)穩(wěn)定，所以不會(huì)產(chǎn)生額外的感應(yīng)效應(yīng)，電流能均勻分布在整個(gè)導(dǎo)體截面，沒有趨膚效應(yīng)。

█趨膚效應(yīng)產(chǎn)生的影響

趨膚效應(yīng)是電能輸送和電信號(hào)傳輸?shù)闹饕系K。

通常來說，對(duì)抗趨膚效應(yīng)，有幾個(gè)方法：

一、采用多根獨(dú)立絕緣導(dǎo)體絞合或編織而成的利茲線結(jié)構(gòu)。

大家會(huì)發(fā)現(xiàn)，我們幾乎很少看到那種很粗的純金屬線，反而經(jīng)常看到那種像麻花一樣擰在一起的細(xì)銅絲。之所以搞這么復(fù)雜，就有一部分原因是為了對(duì)抗趨膚效應(yīng)。一根導(dǎo)線變成多根導(dǎo)線，總的表面積會(huì)增加。

二，將導(dǎo)體表面鍍銀或其它低電阻率材料。

銀的導(dǎo)電率比銅高約5%。既然電流都擠在表面，那就在表面鍍一層銀，相當(dāng)于把最活躍的電流通道“升級(jí)”為更優(yōu)導(dǎo)體。

三，使用空心導(dǎo)管替代實(shí)心導(dǎo)線。

反正中間也沒什么電流。這樣的話，既減輕重量又節(jié)省材料，同時(shí)保持足夠表面積。

以上三種方法，是對(duì)抗趨膚效應(yīng)的常規(guī)操作。例如，在高壓輸電線路中，經(jīng)常會(huì)采用鋼芯鋁絞線?。外層用的是鋁，導(dǎo)電性好、成本低。中心是鋼芯，機(jī)械強(qiáng)度高，可以承擔(dān)承重拉力。

電能輸送場(chǎng)景，交流電頻率不高。但是，電通信場(chǎng)景，情況就不一樣了。

現(xiàn)在為了提升通信速率和容量，都會(huì)采用高頻電信號(hào)，頻率MHz起步，甚至達(dá)到GHz。這種高頻，就意味著會(huì)帶來非常強(qiáng)烈的趨膚效應(yīng)。

目前，業(yè)界單通道數(shù)據(jù)速率已經(jīng)狂飆到224Gbps，下一代甚至將要達(dá)到448Gbps。有數(shù)據(jù)指出，如果按448Gbps來算，趨膚深度將壓縮至0.2微米。

這是極為恐怖的薄度，是頭發(fā)直徑的1/350。海量的電子，要擁擠在如此狹窄的空間里運(yùn)動(dòng)，難度可想而知。這時(shí)，導(dǎo)體表面的氧化層、微觀粗糙度，甚至晶界散射，都將成為不可忽視的影響因素。

以表面粗糙度為例。

金屬導(dǎo)體表面不是絕對(duì)平整的，會(huì)有一些凹凸不平。我們?nèi)庋弁耆床怀鰜恚牵瑢?duì)于高頻場(chǎng)景下的高速電子而言，無(wú)異于在崎嶇不平的山路奔跑，會(huì)轉(zhuǎn)化為極其恐怖的能量損耗與發(fā)熱。這意味著，信號(hào)根本傳不遠(yuǎn)。

如果你真的把導(dǎo)體表面打磨至原子級(jí)平整，那么，又要面對(duì)缺乏附著力的問題。在很多場(chǎng)景（例如半導(dǎo)體封裝）中，銅是需要和樹脂基板等材料進(jìn)行貼合的。太過光滑，會(huì)導(dǎo)致這些材料根本粘不上，直接脫落。

所以說，趨膚效應(yīng)，在高頻通信與高速互連領(lǐng)域，已成為制約性能提升的關(guān)鍵物理瓶頸。

5G毫米波通信、數(shù)據(jù)中心通信、高速PCB設(shè)計(jì)及超導(dǎo)磁體等領(lǐng)域，都面臨這個(gè)問題。

最具代表性的，就是這個(gè)數(shù)據(jù)中心通信。

現(xiàn)在AI這么火爆，帶動(dòng)了智算中心和智算集群。這些場(chǎng)景，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率和帶寬需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。從400G到800G，再到1.6T，甚至正在規(guī)劃3.2T互連方案。

如果采用電通信、銅連接，就會(huì)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。現(xiàn)在業(yè)界拼了老命，才把（SerDes和ASIC交換芯片的）極限速率推進(jìn)到224Gbps級(jí)別。在這個(gè)級(jí)別，電信號(hào)傳輸短短1厘米，就會(huì)產(chǎn)生高達(dá)幾個(gè)dB的衰減。

相比之，如果采用光纖通信，傳輸1厘米的損耗小于0.2dB。光通信的工作頻率，可是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于100GHz的，達(dá)到184~353THz（太赫茲，1THz=1000GHz）。

電信號(hào)對(duì)比光信號(hào)，在波的傳輸效率上差了1000倍，頻率差1000倍，傳輸距離差1000倍。換做是你，該怎么選？

顯然是選光通信。所以，這就是光進(jìn)銅退的核心驅(qū)動(dòng)力，也是發(fā)展CPO（共封裝光學(xué)）等技術(shù)的主要原因。

CPO技術(shù)，是將光引擎與交換芯片直接集成在同一封裝基板上，從而最大限度壓縮電信號(hào)在銅互連中的傳輸距離——從傳統(tǒng)可插拔光模塊的數(shù)米，壓縮至厘米級(jí)甚至毫米級(jí)，使電信號(hào)僅需在芯片封裝內(nèi)部完成最后一段“沖刺”，以規(guī)避趨膚效應(yīng)帶來的嚴(yán)重衰減與失真。

光信號(hào)完全取代電信號(hào)，目前還做不到。因?yàn)橛?jì)算芯片仍然是電信號(hào)，光計(jì)算還很遙遠(yuǎn)，光電轉(zhuǎn)換暫時(shí)不可避免，只能盡量壓縮整個(gè)通信過程中的電占比。

英偉達(dá)的NVL72超節(jié)點(diǎn)，采用銅連接和電信號(hào)，是迫不得已。一方面，光通信技術(shù)還未吃透，成本（光模塊）也比較高，另一方面，電通信勉強(qiáng)還能死撐。NVL72只有一個(gè)機(jī)柜，電信號(hào)的傳輸極限，無(wú)法支撐更遠(yuǎn)距離（跨機(jī)柜）的互連需求。

華為的昇騰384超節(jié)點(diǎn)，采用光通信，所以可以實(shí)現(xiàn)跨機(jī)柜互聯(lián)，組成16個(gè)機(jī)柜的規(guī)模。但是，百米級(jí)（一個(gè)模塊化機(jī)房的范圍）也是極限了。再遠(yuǎn)的話，難度也很大。

英偉達(dá)現(xiàn)在花了很大的資源在CPO技術(shù)上，還收購(gòu)了光通信企業(yè)，就是希望打造頂級(jí)的Spectrum-X系列CPO交換機(jī)，解決AI算力集群通信問題和規(guī)模問題。

█最后的話

好啦，以上就是關(guān)于趨膚效應(yīng)的介紹。看到這里，大家應(yīng)該明白了，光通信爆炸式發(fā)展的底層邏輯，就藏在趨膚效應(yīng)里。（當(dāng)然了，電信號(hào)還包括信號(hào)串?dāng)_等其它缺陷。）

在當(dāng)前的需求背景下，電信號(hào)往高頻發(fā)展是必然趨勢(shì)。而趨膚效應(yīng)，是無(wú)法繞開的物理極限。因?yàn)榭朔涣诉@個(gè)物理極限，所以，我們才不得不轉(zhuǎn)向光通信與CPO等創(chuàng)新架構(gòu)。

趨膚效應(yīng)帶來的電阻劇增、信號(hào)衰減與相位畸變，在電芯片中也同樣存在。半導(dǎo)體封裝的很多關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也受到趨膚效應(yīng)的制約。

我們不得不好奇——如果趨膚效應(yīng)是電信號(hào)無(wú)法克服的死結(jié)，而光信號(hào)是最優(yōu)解，那么，未來，我們什么時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)光計(jì)算的商業(yè)化？光計(jì)算會(huì)取代電計(jì)算嗎？還是說，會(huì)有別的什么量子計(jì)算、生物計(jì)算，抑或更底層的核心技術(shù)革命？

文章轉(zhuǎn)載自“鮮棗課堂”公眾號(hào)