如何使用激光冷卻芯片

現(xiàn)代高性能芯片集成了數(shù)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(yùn)行。如果強(qiáng)行這么做，將會導(dǎo)致高溫集中在微小的局部區(qū)域，產(chǎn)生熱點(diǎn)，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(shù)語由計算機(jī)架構(gòu)師提出，用來描述芯片中必須保持?jǐn)嚯姞顟B(tài)的部分，并且這些部分正變得越來越大。在現(xiàn)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(dá)80%的晶體管必須保持“暗”狀態(tài)。雖然我們能利用一片硅晶圓構(gòu)建超級計算機(jī)，卻只能利用其潛力的一小部分，就像建設(shè)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(yè)配備了更大的風(fēng)扇和更復(fù)雜的液冷系統(tǒng)。但這些做法本質(zhì)上都只是權(quán)宜之計。無論采用風(fēng)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(dǎo)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(dāng)今芯片上每平方毫米熱點(diǎn)區(qū)域會以數(shù)十瓦的功率產(chǎn)生熱量，且這些熱點(diǎn)會在計算過程中的不同時間點(diǎn)出現(xiàn)在芯片的不同位置。無論是風(fēng)冷技術(shù)還是液冷技術(shù)，都難以精準(zhǔn)聚焦于這些隨時出現(xiàn)、位置不定的熱點(diǎn)，只能盡量對芯片進(jìn)行整體冷卻。

對此，我們的初創(chuàng)公司麥克斯韋實(shí)驗(yàn)室（位于美國明尼蘇達(dá)州圣保羅）提出了一個革命性的新方案：如果不轉(zhuǎn)移熱量，而是讓它們直接消失，結(jié)果會如何？這項(xiàng)技術(shù)被稱為“光子冷卻”，能將熱量直接轉(zhuǎn)化為光能，從芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)冷卻。轉(zhuǎn)化后的能量還可回收并轉(zhuǎn)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(diǎn)形成時將其鎖定。從根本上說，這項(xiàng)技術(shù)可冷卻功率密度為每平方毫米數(shù)千瓦的熱點(diǎn)，比現(xiàn)有芯片冷卻技術(shù)的能力高出幾個數(shù)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(shù)據(jù)傳輸。但在適當(dāng)?shù)臈l件下，激光也能用于制冷，其奧秘在于名為“熒光”的發(fā)光過程。

熒光現(xiàn)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(dǎo)致材料升溫。然而，在特定條件下，也可能發(fā)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(shí)現(xiàn)冷卻。

這種再輻射之所以能攜帶更高能量，是因?yàn)樗Y(jié)合了入射光子的能量和材料晶格振動產(chǎn)生的聲子能量。該現(xiàn)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(yàn)證。當(dāng)時，一支科研團(tuán)隊(duì)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(jī)選擇的。反斯托克斯冷卻只有在精密設(shè)計的條件下才能生效。吸光材料的結(jié)構(gòu)必須使幾乎每個吸收的光子都發(fā)射出更高能量的光子。否則，其他機(jī)制將介入，導(dǎo)致樣本升溫而非冷卻。鐿離子和其他鑭系元素具備適當(dāng)?shù)碾娮榆壍澜Y(jié)構(gòu)，能夠促成這一過程。照射到材料上的激光波長處于特定區(qū)間時，離子能有效吸收入射光，并通過聲子觸發(fā)更高能量光子的發(fā)射。這些被重新發(fā)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(dǎo)致熱量積聚。

目前，實(shí)驗(yàn)室方案已在摻鐿石英玻璃中實(shí)現(xiàn)90瓦的冷卻功率。雖然成效顯著，但要實(shí)現(xiàn)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(shù)量級。這需要將光子冷卻機(jī)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(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的熱點(diǎn)空間定位，還是推動激光冷卻邁向高功率、高效率的關(guān)鍵因素。超薄層結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)室正在研發(fā)一種利用光子冷卻技術(shù)應(yīng)對當(dāng)前及未來中央處理器和圖形處理單元發(fā)熱的解決方案。這款光子冷板旨在監(jiān)測功率密度升高的區(qū)域（即正在形成的熱點(diǎn)），隨后將激光高效耦合至鄰近區(qū)域，從而將熱點(diǎn)冷卻至目標(biāo)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(dǎo)入其他組件；然后是微型制冷區(qū)，即實(shí)際上發(fā)生冷卻的區(qū)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(shí)時探測熱點(diǎn)的形成。

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

為了防止入射激光和熒光進(jìn)入實(shí)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(guān)鍵在于，冷卻效應(yīng)僅在激光照射到冷板時在該區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生。通過調(diào)控激光的照射位置，我們可以精準(zhǔn)鎖定芯片上實(shí)時出現(xiàn)的熱點(diǎn)。冷板內(nèi)置的熱傳感器可探測熱點(diǎn)，引導(dǎo)激光定向照射。

設(shè)計整個架構(gòu)是一個復(fù)雜的工程，涉及多個參數(shù)的互相協(xié)調(diào)，包括耦合器的精確形態(tài)、提取器的材料和摻雜濃度、背反射層的厚度和層數(shù)等。為了優(yōu)化冷板，我們采用了多個物理仿真模型結(jié)合逆向設(shè)計工具，在海量的可能參數(shù)組合中優(yōu)中選優(yōu)。借助這些工具，我們力爭將冷卻功率密度提升兩個數(shù)量級，并計劃通過更大規(guī)模的仿真實(shí)現(xiàn)進(jìn)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(xué)、明尼蘇達(dá)州圣保羅的圣托馬斯大學(xué)以及新墨西哥州阿爾伯克基的桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的合作伙伴共同在位于圣保羅的公司實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建光子冷卻演示系統(tǒng)。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(jiān)測芯片中形成的熱點(diǎn)。開始出現(xiàn)熱點(diǎn)時，激光會定向照射到對應(yīng)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(shù)，目前正在試驗(yàn)多種新型摻雜劑，預(yù)計將實(shí)現(xiàn)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(xì)的單元結(jié)構(gòu)，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(wǎng)絡(luò)將光纖中的激光引導(dǎo)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(jiān)測到的熱點(diǎn)形成位置和出現(xiàn)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(guān)鍵的提取層更靠近熱點(diǎn)，從而提升裝置的冷卻能力。

為了解光子冷卻技術(shù)對現(xiàn)有和未來數(shù)據(jù)中心的影響，我們結(jié)合氣冷和液冷方案對光子冷卻技術(shù)進(jìn)行了熱力學(xué)分析，并與單獨(dú)使用氣冷和液冷方案進(jìn)行了對比。初步結(jié)果表明，即使是第一代光子冷卻系統(tǒng)的散熱能力也達(dá)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(shù)據(jù)中心架構(gòu)實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)重大變革。

首先，光子冷卻技術(shù)有望解決暗硅難題。通過在熱點(diǎn)形成時充分消除熱量，光子冷卻技術(shù)可支持芯片上更多晶體管同步運(yùn)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(fā)揮現(xiàn)代晶體管密度的潛力。

其次，光子冷卻技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)比當(dāng)前時鐘頻率高得多的頻率。通過精準(zhǔn)定位熱點(diǎn)，這項(xiàng)冷卻技術(shù)能將芯片整體溫度維持在50℃以下，而當(dāng)代芯片熱點(diǎn)溫度普遍高達(dá)90℃至120℃，而且預(yù)計會持續(xù)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(xù)起效留出了更多空間。

再次，該技術(shù)使三維集成芯片的熱管理成為可能。激光輔助冷卻技術(shù)可以精準(zhǔn)定位熱點(diǎn)，從而能以現(xiàn)有冷卻技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的方式從三維堆疊結(jié)構(gòu)中高效清除熱量。如果在三維集成堆疊結(jié)構(gòu)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(shè)計更加簡單直觀。

第四，光子冷卻的能效遠(yuǎn)超風(fēng)冷。更引人注目的是，清除熱點(diǎn)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(tǒng)的整體能耗。我們的計算表明，結(jié)合使用光子冷卻和風(fēng)冷技術(shù)時，當(dāng)代芯片可實(shí)現(xiàn)超50%的整體節(jié)能，未來芯片的節(jié)能幅度將更顯著。

更重要的是，光子冷卻技術(shù)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超氣冷或液冷技術(shù)的廢熱回收效率。雖然在特定地區(qū)和氣候條件下，通過循環(huán)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(shù)，通過反斯托克斯熒光釋放的光能可經(jīng)光纖重新收集后，通過熱光伏系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)中心的設(shè)計規(guī)則。我們認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)不僅能為延續(xù)摩爾定律注入動力，更可通過數(shù)據(jù)中心層面的能效提升來為初現(xiàn)端倪的智能爆發(fā)提供綠色通道。

盡管前景廣闊，但該技術(shù)要想邁向商業(yè)化，仍需攻克多項(xiàng)挑戰(zhàn)。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(xù)發(fā)展將提升系統(tǒng)性能，使該方案的經(jīng)濟(jì)吸引力日漸提升。目前全球僅有少數(shù)材料經(jīng)過研究并提純達(dá)到了光子冷卻所需的標(biāo)準(zhǔn)。我們相信，隨著光學(xué)工程和薄膜材料處理技術(shù)的進(jìn)步，光子冷板的微型化將像晶體管、太陽能電池和激光技術(shù)那樣，為這項(xiàng)冷卻技術(shù)帶來顛覆性變革。

要實(shí)現(xiàn)最大效益，我們必須對處理器、封裝和冷卻系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計。這需要打破傳統(tǒng)半導(dǎo)體行業(yè)的技術(shù)壁壘，促成跨領(lǐng)域的緊密合作。我們正在與行業(yè)伙伴共同推動這一協(xié)同設(shè)計進(jìn)程。

要從實(shí)驗(yàn)室走向大規(guī)模商業(yè)化，需要開發(fā)高效工藝和專用設(shè)備。要實(shí)現(xiàn)全行業(yè)普及，則要求建立光學(xué)接口、安全規(guī)范及性能評估的新標(biāo)準(zhǔn)。

盡管任重道遠(yuǎn)，我們并未發(fā)現(xiàn)光子冷卻技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的根本性障礙。根據(jù)公司當(dāng)前的愿景，2027年之前有望在高性能計算和人工智能訓(xùn)練集群中實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的早期應(yīng)用，展現(xiàn)冷卻能效的數(shù)量級提升。接下來的2028至2030年間，我們希望在主流數(shù)據(jù)中心推廣該技術(shù)，在算力翻倍的同時降低40%的IT能耗。我們預(yù)計，2030年后，從超大規(guī)模中心到邊緣設(shè)備，業(yè)界將普遍采用該技術(shù)，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(dǎo)體行業(yè)始終籠罩在暗硅的陰影之下。光子冷卻技術(shù)不僅可以為這一困境提供解決方案，更能從根本上重構(gòu)性能、算力和能源的關(guān)系。通過將廢熱直接轉(zhuǎn)化為可利用的光子并最終回收為電能，這項(xiàng)技術(shù)將使熱管理從不得不處理的負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)變?yōu)閷氋F的資源。

未來的計算世界將由光子驅(qū)動，以卓越的能效實(shí)現(xiàn)智能的冷卻。

來源：悅智網(wǎng)

編輯：朗道都說妙

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