如何使用激光冷卻芯片

現代高性能芯片集成了數百億個晶體管，堪稱工程奇跡。但問題在于，這些晶體管無法同時運行。如果強行這么做，將會導致高溫集中在微小的局部區域，產生熱點，其功率密度可接近太陽表面的水平。因此有一個令人沮喪的悖論——暗硅。這一術語由計算機架構師提出，用來描述芯片中必須保持斷電狀態的部分，并且這些部分正變得越來越大。在現代芯片中，為了確保芯片不會過熱燒毀，任何特定時刻都可能有多達80%的晶體管必須保持“暗”狀態。雖然我們能利用一片硅晶圓構建超級計算機，卻只能利用其潛力的一小部分，就像建設了一座摩天大樓，卻只能使用最下面的十層一樣。

多年來，為了突破這一熱限制，芯片行業配備了更大的風扇和更復雜的液冷系統。但這些做法本質上都只是權宜之計。無論采用風冷還是液冷，其原理都是從芯片表面帶走熱量。熱量必須首先從硅片傳導至散熱板，這便造成了一個熱瓶頸。以未來芯片的功率密度而言，該瓶頸根本無法突破。當今芯片上每平方毫米熱點區域會以數十瓦的功率產生熱量，且這些熱點會在計算過程中的不同時間點出現在芯片的不同位置。無論是風冷技術還是液冷技術，都難以精準聚焦于這些隨時出現、位置不定的熱點，只能盡量對芯片進行整體冷卻。

對此，我們的初創公司麥克斯韋實驗室（位于美國明尼蘇達州圣保羅）提出了一個革命性的新方案：如果不轉移熱量，而是讓它們直接消失，結果會如何？這項技術被稱為“光子冷卻”，能將熱量直接轉化為光能，從芯片內部實現冷卻。轉化后的能量還可回收并轉化為有用的電能。憑借這種方法，我們不需要均勻地冷卻整個芯片，而是能夠以激光級的精度在熱點形成時將其鎖定。從根本上說，這項技術可冷卻功率密度為每平方毫米數千瓦的熱點，比現有芯片冷卻技術的能力高出幾個數量級。

激光常被視為熱源，這確有其道理，它常常被用于材料切割或數據傳輸。但在適當的條件下，激光也能用于制冷，其奧秘在于名為“熒光”的發光過程。

熒光現象廣泛存在于熒光筆、珊瑚礁和紫外線燈下的白色衣物中。這些材料通常會吸收高能光（多為紫外光）并釋放較低能量的光（通常是可見光）。由于吸收的能量高于釋放的能量，往往會導致材料升溫。然而，在特定條件下，也可能發生反向過程，即材料吸收低能光子后釋放更高能量的光波，在該過程中實現冷卻。

這種再輻射之所以能攜帶更高能量，是因為它結合了入射光子的能量和材料晶格振動產生的聲子能量。該現象被稱為反斯托克斯冷卻，最早于1995年在一種固體中得以驗證。當時，一支科研團隊通過激光成功冷卻了摻鐿氟化物玻璃樣本。

摻雜元素鐿并不是隨機選擇的。反斯托克斯冷卻只有在精密設計的條件下才能生效。吸光材料的結構必須使幾乎每個吸收的光子都發射出更高能量的光子。否則，其他機制將介入，導致樣本升溫而非冷卻。鐿離子和其他鑭系元素具備適當的電子軌道結構，能夠促成這一過程。照射到材料上的激光波長處于特定區間時，離子能有效吸收入射光，并通過聲子觸發更高能量光子的發射。這些被重新發射和提取的熾熱光必須快速逸出材料，避免被再次吸收，否則將導致熱量積聚。

目前，實驗室方案已在摻鐿石英玻璃中實現90瓦的冷卻功率。雖然成效顯著，但要實現我們期望的對高性能芯片的變革性影響，仍需將冷卻能力再提升幾個數量級。這需要將光子冷卻機制集成到薄膜化、芯片級的光子冷板上。微型化不僅能通過高度聚焦的光束實現更精準的熱點空間定位，還是推動激光冷卻邁向高功率、高效率的關鍵因素。超薄層結構可減少光子在逸出薄膜前被再次吸收的概率，從而避免熱量積累。此外，通過制造光波長尺度的材料，還能提高對入射激光的吸收效率。

目前，麥克斯韋實驗室正在研發一種利用光子冷卻技術應對當前及未來中央處理器和圖形處理單元發熱的解決方案。這款光子冷板旨在監測功率密度升高的區域（即正在形成的熱點），隨后將激光高效耦合至鄰近區域，從而將熱點冷卻至目標溫度。

光子冷板包含多個組件：首先是耦合器，可將入射激光導入其他組件；然后是微型制冷區，即實際上發生冷卻的區域；此外，還有背反射層，用于防止光線直接照射中央處理器或圖形處理單元；最后是傳感器，用于實時探測熱點的形成。

激光從上方的耦合器射向目標區域。耦合器是一種特殊透鏡，能將入射激光精準會聚至微制冷區，同時引導攜帶熱量的熒光逸出芯片。我們稱為“提取器”的微制冷區正是“魔法”起效的位置，摻雜特殊物質的薄膜在這里發生反斯托克斯熒光效應。

為了防止入射激光和熒光進入實體芯片并加熱電子元件，光子冷板還集成了背反射層。

這一過程的關鍵在于，冷卻效應僅在激光照射到冷板時在該區域內產生。通過調控激光的照射位置，我們可以精準鎖定芯片上實時出現的熱點。冷板內置的熱傳感器可探測熱點，引導激光定向照射。

設計整個架構是一個復雜的工程，涉及多個參數的互相協調，包括耦合器的精確形態、提取器的材料和摻雜濃度、背反射層的厚度和層數等。為了優化冷板，我們采用了多個物理仿真模型結合逆向設計工具，在海量的可能參數組合中優中選優。借助這些工具，我們力爭將冷卻功率密度提升兩個數量級，并計劃通過更大規模的仿真實現進一步突破。

我們與美國新墨西哥州阿爾伯克基的新墨西哥大學、明尼蘇達州圣保羅的圣托馬斯大學以及新墨西哥州阿爾伯克基的桑迪亞國家實驗室的合作伙伴共同在位于圣保羅的公司實驗室構建光子冷卻演示系統。我們組裝了一系列小型光子冷板，每塊的面積為1平方毫米，并將它們鋪在了各類中央處理器的頂部。出于演示目的，我們使用了外置熱像儀來監測芯片中形成的熱點。開始出現熱點時，激光會定向照射到對應位置上方的光子冷板單元，提取其熱量。我們的初代冷板采用了鐿離子摻雜技術，目前正在試驗多種新型摻雜劑，預計將實現更卓越的性能。

在即將推出的集成式演示中，光子冷板將采用更精細的單元結構，約為100微米×100微米。該演示不使用自由空間激光器，而是通過片上光子網絡將光纖中的激光引導至這些制冷單元。激光具體激活哪些單元，將取決于傳感器監測到的熱點形成位置和出現時間。

我們最終希望與中央處理器和圖形處理單元制造商合作，將光子冷板與芯片封裝在一起，使關鍵的提取層更靠近熱點，從而提升裝置的冷卻能力。

為了解光子冷卻技術對現有和未來數據中心的影響，我們結合氣冷和液冷方案對光子冷卻技術進行了熱力學分析，并與單獨使用氣冷和液冷方案進行了對比。初步結果表明，即使是第一代光子冷卻系統的散熱能力也達到了純氣冷和液冷方案的2倍。這種冷卻能力的飛躍將推動芯片和數據中心架構實現多項重大變革。

首先，光子冷卻技術有望解決暗硅難題。通過在熱點形成時充分消除熱量，光子冷卻技術可支持芯片上更多晶體管同步運行。這意味著芯片上的所有功能單元可并行工作，從而充分發揮現代晶體管密度的潛力。

其次，光子冷卻技術有望實現比當前時鐘頻率高得多的頻率。通過精準定位熱點，這項冷卻技術能將芯片整體溫度維持在50℃以下，而當代芯片熱點溫度普遍高達90℃至120℃，而且預計會持續惡化。突破這一熱瓶頸將使芯片釋放更高的時鐘頻率潛力。它帶來了無須直接提高晶體管密度即可提升性能的可能性，為摩爾定律繼續起效留出了更多空間。

再次，該技術使三維集成芯片的熱管理成為可能。激光輔助冷卻技術可以精準定位熱點，從而能以現有冷卻技術無法實現的方式從三維堆疊結構中高效清除熱量。如果在三維集成堆疊結構中的每一層添加光子冷板，將能夠妥善處理整個堆疊芯片的冷卻問題，使三維芯片設計更加簡單直觀。

第四，光子冷卻的能效遠超風冷。更引人注目的是，清除熱點熱量可使芯片保持均勻的溫度，從而大幅降低對流冷卻系統的整體能耗。我們的計算表明，結合使用光子冷卻和風冷技術時，當代芯片可實現超50%的整體節能，未來芯片的節能幅度將更顯著。

更重要的是，光子冷卻技術可實現遠超氣冷或液冷技術的廢熱回收效率。雖然在特定地區和氣候條件下，通過循環熱水或熱空氣為鄰近建筑供暖的方案是可行的，但其能量回收效率有限。而借助光子冷卻技術，通過反斯托克斯熒光釋放的光能可經光纖重新收集后，通過熱光伏系統轉化為電能，能量回收率有望突破60%。

依靠這種革命性的全新冷卻方案，我們可以改寫芯片和數據中心的設計規則。我們認為，這項技術不僅能為延續摩爾定律注入動力，更可通過數據中心層面的能效提升來為初現端倪的智能爆發提供綠色通道。

盡管前景廣闊，但該技術要想邁向商業化，仍需攻克多項挑戰。雖然我們的光子冷板目前使用的材料可滿足基本要求，但更高效率的光子冷卻材料的持續發展將提升系統性能，使該方案的經濟吸引力日漸提升。目前全球僅有少數材料經過研究并提純達到了光子冷卻所需的標準。我們相信，隨著光學工程和薄膜材料處理技術的進步，光子冷板的微型化將像晶體管、太陽能電池和激光技術那樣，為這項冷卻技術帶來顛覆性變革。

要實現最大效益，我們必須對處理器、封裝和冷卻系統進行協同設計。這需要打破傳統半導體行業的技術壁壘，促成跨領域的緊密合作。我們正在與行業伙伴共同推動這一協同設計進程。

要從實驗室走向大規模商業化，需要開發高效工藝和專用設備。要實現全行業普及，則要求建立光學接口、安全規范及性能評估的新標準。

盡管任重道遠，我們并未發現光子冷卻技術大規模應用的根本性障礙。根據公司當前的愿景，2027年之前有望在高性能計算和人工智能訓練集群中實現該技術的早期應用，展現冷卻能效的數量級提升。接下來的2028至2030年間，我們希望在主流數據中心推廣該技術，在算力翻倍的同時降低40%的IT能耗。我們預計，2030年后，從超大規模中心到邊緣設備，業界將普遍采用該技術，屆時將催生全新的計算范式，其算力上限僅取決于算法效率，而不再受散熱問題的制約。

20多年來，半導體行業始終籠罩在暗硅的陰影之下。光子冷卻技術不僅可以為這一困境提供解決方案，更能從根本上重構性能、算力和能源的關系。通過將廢熱直接轉化為可利用的光子并最終回收為電能，這項技術將使熱管理從不得不處理的負擔轉變為寶貴的資源。

未來的計算世界將由光子驅動，以卓越的能效實現智能的冷卻。

來源：悅智網

編輯：朗道都說妙

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