您的位置:首页 > 新品速递 > 正文

芯片冷却新突破:光子冷却技术

时间:2025-10-17 14:30:57 浏览:15

现代高性能芯片无疑是工程领域的一大奇迹,其中包含着数百亿个晶体管。然而,一个棘手的问题随之而来,我们无法同时启用所有晶体管。一旦同时使用,芯片就会产生热点,即高温集中在微小区域,其功率密度甚至接近太阳表面的功率密度。这便导致了一个令人困扰的悖论 —— 暗硅。这是计算机架构师创造的术语,用于描述芯片中必须保持断电的不断增加的部分。在现代芯片上,高达 80% 的晶体管必须随时处于 “黑暗” 状态,以防止芯片过热损坏。这就好比我们在一小片硅片上打造了超级计算机,却仅仅利用了其一小部分潜力,恰似建造了一座摩天大楼,却只能使用前 10 层。

多年来,业界一直试图通过采用更大的风扇和更复杂的液体冷却系统来突破这一热极限。但这些方法本质上只是权宜之计。无论是利用空气还是液体进行冷却,它们都依赖于将热量从芯片表面带走。热量首先要通过硅传导到冷却板,这就形成了热瓶颈。而在未来芯片不断提高的功率密度下,这一瓶颈根本无法突破。如今,芯片上的热点每平方毫米会产生数十瓦的热量,并且在计算过程中的不同时间出现在芯片的不同位置。空气和液体冷却很难将冷却重点精准地集中在热点上,无论热点何时何地出现,它们只能尝试对整个芯片进行冷却。

1.jpg

位于明尼苏达州圣保罗的初创公司 Maxwell Labs 提出了一种全新的解决方案 —— 光子冷却。该技术能够将热量直接转化为光能,从芯片内部开始冷却,然后将这些能量回收并再循环利用,转化为有用的电能。采用这种方法,我们无需对整个芯片进行均匀冷却,而是能够像激光一样精准地瞄准热点。从根本上说,这项技术可以冷却每平方毫米数千瓦的热点,其冷却效果比当今芯片的冷却方式高出几个数量级。

光冷却的物理学原理

通常情况下,激光被认为是热源,这并非毫无根据,因为它们常用于切割材料或传输数据。但在特定条件下,激光可以引发冷却现象,其奥秘在于荧光这一发光过程。

荧光是荧光笔、珊瑚礁和白色衣物在黑光照射下发出光芒的背后原因。这些材料吸收高能光(通常是紫外线),然后重新发射能量较低的光(通常在可见光谱范围内)。由于吸收的能量高于发射的能量,这种能量差异通常会使材料升温。然而,在某些特殊条件下,情况可能会相反:一种材料可以吸收低能光子,然后发射高能光,并在此过程中实现冷却。

这种现象被称为反斯托克斯冷却。早在 1995 年,一组科学家首次在固体中证明了这一现象,他们用激光冷却了一个掺镱的氟化物玻璃样品。选择镱作为掺杂剂并非偶然,因为反斯托克斯冷却只有在精心设计的条件下才能发挥作用。吸收材料的结构必须确保几乎每个被吸收的光子都能发射出一个能量更高的光子。否则,其他机制就会导致样品加热而非冷却。镱和其他镧系元素的离子具有合适的电子轨道结构,能够促进这一过程。当窄波长激光照射在材料上时,离子可以有效吸收入射光,并利用声子触发发射出能量更高的光。这些重新发射的热光需要快速逸出材料,以免再次被吸收而导致加热。

到目前为止,实验室方法已在掺镱石英玻璃中实现了高达 90 瓦的冷却功率。尽管这一成果令人瞩目,但为了实现对高性能芯片的变革性影响,我们需要将冷却能力提高许多个数量级。要达到这一目标,需要将光子冷却机制集成到薄膜芯片级光子冷板上。小型化不仅可以通过紧密聚焦的光束更精确地定位热点,而且是推动激光冷却物理学向高功率和高效率方向发展的关键因素。更薄的层也降低了光在离开薄膜之前被重新吸收的可能性,从而避免了加热。此外,通过在光波长尺度上设计材料,可以增加对入射激光束的吸收。

光子冷板技术

在位于明尼苏达州圣保罗的实验室中,Maxwell Labs 正在开发一种利用光子冷却技术解决当前和未来 CPU 和 GPU 散热问题的方法。他们设计的光子冷板旨在感知功率密度不断增加的区域(即新兴热点),然后将光高效地耦合到附近区域,从而将热点冷却至目标温度。

光子冷板由几个关键组件组成:首先是耦合器,它将入射的激光耦合到其他组件中;接着是微制冷区域,这里是实际发生冷却的地方;然后是背反射器,它可以防止光直接照射到 CPU 或 GPU 上;最后是传感器,用于检测热点的形成。

激光从上方通过耦合器照射到目标区域。耦合器是一种透镜,它将入射激光聚焦到微制冷区域,同时将入射的载热荧光引导出芯片。微制冷区域,也被称为提取器,是整个过程中最神奇的部分,特殊掺杂的薄膜在这里发生反斯托克斯荧光。

为了防止入射的激光和荧光进入实际芯片并加热电子设备,光子冷板采用了背反射器。至关重要的是,冷却仅在激光照射到冷板时才会发生。通过选择激光的照射位置,我们可以精准地瞄准芯片上出现的热点。冷板包含一个热传感器,它可以检测热点,并引导激光照射到热点上。

设计整个光子冷板堆栈是一个复杂且相互关联的问题,涉及许多可调参数,包括耦合器的精确形状、提取区域的材料和掺杂水平,以及背反射器的厚度和层数。为了优化冷板,研究团队部署了一个多物理场仿真模型,并结合逆向设计工具,以便搜索大量可能的参数。他们希望通过这些工具将冷却功率密度提高两个数量级,并计划进行更大规模的仿真,以实现更大的改进。

Maxwell Labs 与新墨西哥大学(位于阿尔伯克基)、圣托马斯大学(位于明尼苏达州圣保罗)以及桑迪亚国家实验室(位于阿尔伯克基)的合作伙伴携手合作,在圣保罗的实验室中构建了一个光子冷却的演示版本。他们正在组装一系列小型光子冷板,每个冷板的尺寸为一平方毫米,平铺在各种 CPU 上。为了进行演示,他们使用外部热像仪来感应来自芯片的热点。当热点开始出现时,他们会用激光照射到正上方的光子冷板上,提取其热量。最初设计的冷板采用了镱离子掺杂,但目前他们正在试验其他多种掺杂剂,相信这些掺杂剂将带来更高的性能。

在即将推出的集成实现版本中,光子冷板将由更精细的 “瓷砖”(tile)组成,尺寸约为 100 x 100 微米。与自由空间激光器不同,来自光纤的光将通过片上光子网络路由到这些 “瓷砖”。激光激活哪些 “瓷砖” 将取决于传感器测量到的热点形成位置和时间。

最终,研究团队希望与 CPU 和 GPU 制造商合作,将光子冷板与芯片本身集成在同一封装内,从而使关键的提取层更靠近热点,提高设备的冷却能力。

激光冷却芯片和数据中心

为了评估光子冷却技术对当前和未来数据中心的影响,研究团队对激光冷却的热力学进行了分析,并将其与空气和液体冷却方法进行了比较。初步结果显示,即使是第一代激光冷却装置的功耗也是纯空气和液体冷却系统的两倍。然而,冷却能力的显著提升将为未来的芯片和数据中心架构带来几项关键变革。

首先,激光冷却可以解决暗硅问题。通过在热点形成过程中充分移除热量,光子冷却可以允许芯片上更多晶体管同时工作。这意味着芯片上的所有功能单元可以并行运行,充分发挥现代晶体管密度的优势。

其次,激光冷却技术可以实现比目前更高的时钟频率。由于这种冷却技术能够精准地瞄准热点,因此可以将芯片各处的温度保持在 50°C 以下。当前一代芯片的热点通常在 90 至 120°C 之间,而且预计情况会越来越糟。克服这一瓶颈将为在同一芯片上实现更高的时钟频率提供可能,从而在不直接增加晶体管密度的情况下提升芯片性能,为摩尔定律的持续发展创造空间。

第三,这项技术使 3D 集成的热管理更加便捷。由于激光辅助冷却能够精确定位热点,因此它能够更轻松地从 3D 堆叠中散热,而这是当今冷却技术难以做到的。在 3D 集成堆叠的每一层上添加光子冷板,可以负责整个堆叠的冷却,从而简化 3D 芯片设计。

第四,激光冷却比空气冷却系统更高效。从热点散热不仅能够保持芯片温度均匀,还能大幅降低对流冷却系统的总功耗。研究团队的计算表明,结合空气冷却,当前一代芯片的总能耗可降低 50% 以上,而未来芯片的节能效果将更加显著。

此外,激光冷却比空气或液体冷却能够回收更高比例的废能。在某些地区和气候条件下,循环使用热液体或热空气来加热附近的房屋或其他设施是可行的,但这些方法的回收效率有限。而光子冷却则可以将反斯托克斯荧光发出的光重新收集到光纤电缆中,然后通过热光伏技术将其转化为电能,从而实现高达 60% 的能量回收率。

凭借这种全新的冷却方法,我们有望改写芯片和数据中心的设计规则。研究团队相信,这或许能够使摩尔定律得以延续,并实现数据中心层面的节能,为智能爆炸式增长提供支持。

光子冷却之路

尽管研究成果前景光明,但在这项技术实现商业化之前,仍面临一些挑战。目前用于光子冷板的材料已满足基本要求,但持续开发更高效的激光冷却材料将提升系统性能,并使其在经济上更具吸引力。到目前为止,只有少数材料经过研究并达到足够高的纯度,可以实现激光冷却。研究团队相信,在光学工程和薄膜材料加工技术的进步推动下,光子冷板的小型化将对这项技术产生与晶体管、太阳能电池和激光器类似的变革性影响。

为了实现效益最大化,需要对处理器、封装和冷却系统进行协同设计。这需要传统上相对孤立的半导体生态系统之间密切合作。研究团队正在与行业合作伙伴共同努力,促进这一协同设计流程。

从实验室设备过渡到大规模商业化生产,需要开发高效的工艺流程和专用设备。全行业采用该技术还需要制定新的光学接口、安全协议和性能指标标准。

尽管还有很多工作要做,但研究团队认为光子冷却技术的大规模应用目前尚未遇到任何根本性障碍。根据他们的愿景,预计该技术将在 2027 年之前在高性能计算和人工智能训练集群中得到早期应用,冷却性能将实现数量级的提升。在 2028 年至 2030 年之间,希望看到该技术在主流数据中心的部署,同时 IT 能耗降低 40%,计算能力翻倍。最后,预计在 2030 年之后,从超大规模到边缘的广泛部署将催生新的计算范式,这些范式将不再受热性能的限制,而仅受算法效率的制约。

二十多年来,半导体行业一直在努力应对 “暗硅” 的威胁。光子冷却不仅提供了解决这一挑战的方案,还从根本上重塑了性能、计算和能量之间的关系。通过将废热直接转化为有用的光子,并最终转化为电能,这项技术将热管理从 “必要之恶” 转变为宝贵的资源。可以预见,计算的未来将是光子的、高效的、极其酷炫的。



版权声明: 部分文章信息来源于网络以及网友投稿.本网站只负责对文章进行整理、排版、编辑.是出于传递更多信息之目的.并不意味着赞同其观点或证实其内容
的真实性如本站文章和转稿涉及版权等问题,请作者及时联系本站,我们会尽快处理。

网址:https://www.icpdf.com/xinpin/2357.html