隨著晶體管密度不斷增加，芯片的熱量密度急劇上升，散熱壓力與日俱增。一旦散熱失效，輕則引發(fā)性能衰減和系統(tǒng)不穩(wěn)，重則加速硬件老化、縮短壽命。

面對這些熱失控的風(fēng)險，芯片設(shè)計者不得不閑置處理器上高達(dá) 80% 的晶體管——這就是著名的“暗硅”（Dark Silicon）困境。傳統(tǒng)的風(fēng)冷、液冷技術(shù)效率還有待進(jìn)一步提升，芯片的性能飛躍，正在等待一場散熱的革命。

而最近，一家名為 Maxwell Labs 的美國初創(chuàng)公司，正試圖用一個全新的方式來打破僵局：光子冷卻——利用光，從芯片的內(nèi)部移除熱量。

（來源：Maxwell Labs）

要理解光子冷卻，我們必須首先改變對“光”的固有認(rèn)知。因為它利用的是量子物理學(xué)中的反斯托克斯熒光（Anti-Stokes Fluorescence）效應(yīng)。

簡單來說，傳統(tǒng)的熒光是個“能量降級”的過程：材料吸收高能光，吐出低能光，差額變成熱量散發(fā)。而 Maxwell Labs 利用的反斯托克斯冷卻則是逆向操作：他們向芯片特定區(qū)域發(fā)射低能激光，這些光子會主動“吸收”代表熱量的晶格振動能量（聲子），從而提升自身能量，最終以更高能的“冷光”形式離開。根據(jù)能量守恒定律，光子帶走的這份額外能量，正是從芯片內(nèi)部“抽取”的熱量，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)降溫。

為了確保這一冷卻過程持續(xù)有效，技術(shù)設(shè)計至關(guān)重要：必須盡快確保這些攜熱離去的“冷光”能夠迅速穿透并逸出芯片材料，避免被重新吸收，而實驗結(jié)果顯示這項技術(shù)的冷卻響應(yīng)速度已經(jīng)達(dá)到光學(xué)時間尺度（Optical Timescale），能夠瞬間對芯片上任何熱點做出反應(yīng)，這是風(fēng)冷和液冷等傳統(tǒng)方法望塵莫及的。

要實現(xiàn)這個過程，需要幾個核心的硬件載體協(xié)同工作：光子冷板，以及上面配置的耦合器、背反射器和傳感器。

圖 | 光子冷卻技術(shù)核心組件（來源：IEEE Spectrum）

在實際部署中，光子冷板（尺寸僅約一平方毫米）被平鋪放置在芯片基板頂部，形成一個致密的冷卻陣列。整個降溫過程始于傳感器（或外部熱像儀）對芯片熱點位置和強度的實時監(jiān)控。一旦識別出過熱風(fēng)險，系統(tǒng)便會瞬時啟動耦合器，將精確調(diào)校的低能激光束高效聚焦并導(dǎo)入到熱點附近的微制冷區(qū)域。

在該區(qū)域內(nèi)，反斯托克斯熒光效應(yīng)被激活，芯片熱量被轉(zhuǎn)化為高能光。隨后，耦合器再次發(fā)揮其“光導(dǎo)”作用，確保這些攜熱的“冷光”被迅速引出芯片，防止熱量二次吸收。同時，背反射器作為一道光學(xué)屏障，確保入射激光和發(fā)射的熒光不會直接照射到敏感的 CPU 或 GPU 核心，保證設(shè)備安全。

通過這種高度協(xié)同、多組件配合的光學(xué)熱量“交易”，系統(tǒng)實現(xiàn)了對芯片熱點的持續(xù)、精準(zhǔn)恒溫控制。研究團(tuán)隊目前正借助多物理場仿真和逆向設(shè)計工具，探索進(jìn)一步優(yōu)化組件間的配合機制，目標(biāo)是將冷卻功率密度再提高兩個數(shù)量級。

當(dāng)然，對于任何一項革命性技術(shù)而言，從實驗室到商業(yè)部署，工程可靠性與總擁有成本（TCO, Total Cost of Ownership）的核算都十分重要。

在工程挑戰(zhàn)方面，光子冷卻對激光系統(tǒng)的穩(wěn)定性依賴極高。系統(tǒng)需要大量的微型激光器來為每個冷板供能，這些激光器自身的發(fā)熱量和壽命能否得到有效控制，是新的工程瓶頸。此外，組件的集成難度亦不可小覷。光子冷板、耦合器和反射器等組件必須以納米級的精度集成到芯片封裝中，這要求芯片制造商采用全新的異構(gòu)集成（Heterogeneous Integration）工藝和材料，這意味著極高的初始投入和工藝驗證周期。

這項技術(shù)也面臨嚴(yán)苛的材料科學(xué)挑戰(zhàn)。據(jù) Photonics Spectra 等媒體報道，光子冷板的核心材料，例如砷化鎵（Gallium Arsenide, GaAs），必須保持極高的純度。因為激光一旦與材料中的微小雜質(zhì)發(fā)生作用，很容易產(chǎn)生寄生熱量，抵消甚至逆轉(zhuǎn)冷卻效果。因此，如何實現(xiàn)高純度、納米級器件的規(guī)?；偷统杀局圃?，是決定其商業(yè)化進(jìn)程的生命線。為此，Maxwell Labs 已與桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）等頂尖機構(gòu)合作，進(jìn)行材料的制造和熱性能評估。

（來源：Sandia National Laboratories）

然而從長遠(yuǎn)角度來看，這些初始的高額投入有望被顯著的運營成本（OPEX）節(jié)約所抵消。雖然高純度砷化鎵冷板的初始 CAPEX 成本可能高于傳統(tǒng)散熱，但光子冷卻在效率上的代際優(yōu)勢是驚人的：它承諾將 IT 能耗降低 40%，同時實現(xiàn)高達(dá) 60% 的能量回收。這意味著隨著時間的推移，數(shù)據(jù)中心通過節(jié)約的電費和維護(hù)成本（無水、無泵），將迅速攤平甚至超越初始投資。這種將熱管理問題轉(zhuǎn)化為可再生能源利用的新范式，是驅(qū)動大型數(shù)據(jù)中心和云服務(wù)提供商采納的關(guān)鍵驅(qū)動力。

為了更快地進(jìn)行商業(yè)化推進(jìn)，Maxwell Labs 已經(jīng)推出了MXL-Gen1 光子冷卻早期訪問計劃，尋求與行業(yè)伙伴的實際應(yīng)用測試。根據(jù)研究團(tuán)隊的預(yù)計，該技術(shù)帶來的突破將會在2027 年得以落地實用，屆時高性能計算和人工智能集群將率先受益。隨后在2028 年至 2030 年間，光子冷卻有望完成主流計算中心的部署，將 IT 能耗降低 40%，同時計算能力翻倍，并逐漸推廣至邊緣計算。

未來會如何，我們還需等待?；蛟S它所開啟的，不僅是芯片散熱的下一個時代，更是高性能計算走向可持續(xù)未來的新路徑。

1.https://spectrum.ieee.org/laser-cooling-chips

2.https://mxllabs.com/

3.https://newsreleases.sandia.gov/a-surprise-contender-for-cooling-computers-lasers/

4.https://www.photonics.com/Articles/Maxwell-Labs-Sandia-Collaborate-to-Test/a70908

運營/排版：何晨龍