高性能芯片是半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域的奇跡，包含了數(shù)百億個(gè)晶體管。但問題在于，你無法同時(shí)使用所有晶體管。如果你這樣做，就會(huì)產(chǎn)生熱點(diǎn)——即高溫集中在一個(gè)微小區(qū)域內(nèi)——其功率密度接近太陽表面的功率密度！

這導(dǎo)致了一個(gè)令人沮喪的悖論，即所謂的“暗硅（dark silicon）”現(xiàn)象，這是計(jì)算機(jī)架構(gòu)師創(chuàng)造的一個(gè)術(shù)語，用來描述芯片中必須保持?jǐn)嚯姷木w管日益增多。在任何給定時(shí)刻，現(xiàn)代芯片上多達(dá)80%的晶體管必須保持“暗態(tài)”，以防止芯片過熱。雖然我們正在硅片上構(gòu)建超級(jí)計(jì)算機(jī)，但實(shí)際上只利用了其潛力的一小部分。這就像建造了一座摩天大樓，卻只能使用幾個(gè)樓層。

多年來，該行業(yè)一直在通過更大的風(fēng)扇和更復(fù)雜的液冷系統(tǒng)來應(yīng)對(duì)這一散熱極限。但本質(zhì)上，這些解決方案都是“治標(biāo)不治本”。無論是使用空氣還是液體，它們都依賴于從芯片表面帶走熱量。熱量必須首先通過硅傳導(dǎo)到冷卻板，這就形成了一個(gè)熱瓶頸，在未來芯片的功率密度下，這一瓶頸根本無法克服。

當(dāng)今，芯片上的熱點(diǎn)每平方毫米就產(chǎn)生數(shù)十瓦熱量，并且在計(jì)算過程中，這些熱點(diǎn)會(huì)在芯片上的不同位置、不同時(shí)間出現(xiàn)。但是，空氣和液體冷卻系統(tǒng)很難在熱點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間和位置集中精力進(jìn)行冷卻，它們只能嘗試整體冷卻。

位于明尼蘇達(dá)州圣保羅的初創(chuàng)公司Maxwell Labs提出了一種激進(jìn)的新方法：先讓熱量消失，而不僅僅是移走熱量。這種稱為“光子冷卻（）”的技術(shù)能夠?qū)崃恐苯愚D(zhuǎn)化為光，從內(nèi)到外冷卻芯片。同時(shí)，能量將被回收并再循環(huán)回有用的電力。通過這種方法，我們可以在熱點(diǎn)形成時(shí)以激光精度定位熱點(diǎn)，而不是均勻冷卻整個(gè)芯片。從根本上說，這種技術(shù)可以冷卻每平方毫米數(shù)千瓦的熱點(diǎn)，比今天的芯片冷卻好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。


光冷卻物理學(xué)


激光通常被認(rèn)為是熱源，因?yàn)樗鼈冏畛Ｓ糜谇懈畈牧匣騻鬏敂?shù)據(jù)。但在適當(dāng)?shù)那闆r下，激光可以誘導(dǎo)冷卻。秘密在于一種稱為熒光的發(fā)光過程。

熒光是強(qiáng)光標(biāo)記、珊瑚礁和白色衣服在黑光照射下發(fā)出的熟悉光芒背后的現(xiàn)象。這些材料吸收高能光（通常是紫外線），并重新發(fā)射低能光（通常在可見光譜中）。因?yàn)樗鼈兾盏哪芰勘劝l(fā)射的能量高，所以這種差異通常會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)熱。然而，在某些非常小眾的條件下，可能會(huì)發(fā)生相反的情況：一種材料可以吸收低能光子并發(fā)出高能光，在此過程中冷卻下來。

迄今為止，基于實(shí)驗(yàn)室的方法在摻鐿石英玻璃中實(shí)現(xiàn)了高達(dá)90瓦的冷卻功率。盡管如此，為了實(shí)現(xiàn)我們預(yù)期的高性能芯片的變革性效果，需要將冷卻能力提高許多數(shù)量級(jí)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要將光子冷卻機(jī)制集成到薄膜、芯片級(jí)光子冷板上。小型化不僅可以通過緊密聚焦的光束實(shí)現(xiàn)更精確的熱點(diǎn)空間定位，而且是推動(dòng)激光冷卻物理學(xué)向高功率和高效率發(fā)展的關(guān)鍵因素。更薄的層使光在離開薄膜之前不太可能被重新吸收，從而避免了加熱。而且，通過在光波長的尺度上設(shè)計(jì)材料，可以增加對(duì)入射激光束的吸收。


光子冷板技術(shù)


在實(shí)驗(yàn)室中，工程師開發(fā)了一種利用光子冷卻的方法來解決當(dāng)今和未來CPU和GPU的熱量問題。我們的光子冷板旨在感應(yīng)功率密度增加的區(qū)域（新興熱點(diǎn)），然后將光有效地耦合到附近的區(qū)域，將熱點(diǎn)冷卻到目標(biāo)溫度。

光子冷板有幾個(gè)組件：首先是耦合器，它將入射的激光耦合到其他組件中；然后是微制冷區(qū)，冷卻實(shí)際發(fā)生的地方；接下來是后反射器，它可以防止光線直接照射到CPU或GPU上；最后是一個(gè)傳感器，它在熱點(diǎn)形成時(shí)檢測熱點(diǎn)。
激光通過耦合器從上方照射到目標(biāo)區(qū)域：耦合器是一種將入射激光聚焦到微制冷區(qū)域的透鏡。耦合器同時(shí)將進(jìn)入的載熱熒光引導(dǎo)出芯片。微制冷區(qū)也稱作提取器，是真正神奇的地方：特殊摻雜的薄膜會(huì)發(fā)生反斯托克斯熒光。
為了防止入射的激光和熒光進(jìn)入實(shí)際的芯片并加熱電子設(shè)備，光子冷板包含一個(gè)后反射器。

至關(guān)重要的是，只有當(dāng)激光照射到冷板上時(shí)，才會(huì)發(fā)生冷卻。通過選擇激光照射的位置，可以瞄準(zhǔn)芯片上出現(xiàn)的熱點(diǎn)。冷板包括一個(gè)檢測熱點(diǎn)的熱傳感器，能夠?qū)⒓す庖驘狳c(diǎn)。

設(shè)計(jì)整個(gè)堆棧是一個(gè)復(fù)雜的、相互關(guān)聯(lián)的問題，有許多可調(diào)參數(shù)，包括耦合器的確切形狀、提取區(qū)域的材料和摻雜水平，以及后反射器中的厚度和層數(shù)。為了優(yōu)化冷板，工程師正在部署一個(gè)多物理場仿真模型，并結(jié)合逆向設(shè)計(jì)工具，以搜索大量可能的參數(shù)。利用這些工具，希望將冷卻功率密度提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

在接下來的演示的集成實(shí)現(xiàn)中，光子冷板將由更精細(xì)的瓷塊組成——大約100 x 100微米。光纖發(fā)出的光將通過片上光子網(wǎng)絡(luò)路由到這些瓦片，而不是自由空間激光器。激光激活哪些瓦片將取決于傳感器測量的熱點(diǎn)形成的位置和時(shí)間。

最終，工程師希望與CPU和GPU制造商合作，將光子冷板集成到與芯片本身相同的封裝中，使關(guān)鍵的提取器層更靠近熱點(diǎn)，并提高設(shè)備的冷卻能力。

激光冷卻芯片與數(shù)據(jù)中心


為了了解光子冷卻技術(shù)對(duì)當(dāng)前和未來數(shù)據(jù)中心的影響，工程師對(duì)激光冷卻的熱力學(xué)進(jìn)行了分析，并與空氣和液體冷卻方法進(jìn)行了比較。初步結(jié)果表明，即使是第一代激光冷卻裝置，其功耗也是純空氣和液體冷卻系統(tǒng)的兩倍。冷卻能力的顯著提高將使未來的芯片和數(shù)據(jù)中心架構(gòu)發(fā)生幾個(gè)關(guān)鍵變化。

首先，激光冷卻可以消除暗硅問題。通過在熱點(diǎn)形成時(shí)充分去除熱量，光子冷卻將允許芯片上更多晶體管同時(shí)運(yùn)行。這意味著，芯片上的所有功能單元都可以并行運(yùn)行，充分發(fā)揮現(xiàn)代晶體管密度的作用。

其次，激光冷卻可以實(shí)現(xiàn)比目前更高的時(shí)鐘頻率。這種冷卻技術(shù)可以在任何地方將芯片的溫度保持在50°C以下，因?yàn)樗槍?duì)的是熱點(diǎn)。當(dāng)前芯片通常會(huì)在90至120°C的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)熱點(diǎn)，預(yù)計(jì)情況只會(huì)變得更糟�？朔@一瓶頸的能力將允許在相同的芯片上實(shí)現(xiàn)更高的時(shí)鐘頻率。這開辟了在不直接增加晶體管密度的情況下提高芯片性能的可能性，為摩爾定律的繼續(xù)發(fā)展提供了急需的空間。

第三，這項(xiàng)技術(shù)使3D集成在熱方面易于管理。因?yàn)榧す廨o助冷卻可以精確地定位熱點(diǎn)，可以更容易地從3D堆棧中散熱，這是當(dāng)今冷卻技術(shù)無法做到的。在3D集成堆疊中的每一層添加光子冷板將負(fù)責(zé)冷卻整個(gè)堆疊，使3D芯片設(shè)計(jì)更加簡單。

第四，激光冷卻比空氣冷卻系統(tǒng)更有效。從熱點(diǎn)中去除熱量的一個(gè)更誘人的結(jié)果是能夠?qū)⑿酒３衷诰鶆虻臏囟�，并大大降低�?duì)流冷卻系統(tǒng)的整體功耗。計(jì)算表明，當(dāng)與空氣冷卻相結(jié)合時(shí)，當(dāng)前一代芯片的整體能耗可以降低50%以上，未來的芯片將實(shí)現(xiàn)更大的節(jié)能。

更重要的是，激光冷卻可以回收比空氣或液體冷卻高得多的廢能。在某些地點(diǎn)和氣候條件下，可以再循環(huán)熱液體或空氣來加熱附近的房屋或其他設(shè)施，但這些方法的回收效率有限。通過光子冷卻，通過反斯托克斯熒光發(fā)射的光可以通過將光重新收集到光纖電纜中，然后通過熱光伏將其轉(zhuǎn)化為電能來回收，從而實(shí)現(xiàn)60%以上的能量回收。

通過這種全新的冷卻方法，將改寫芯片和數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)規(guī)則。這可能是摩爾定律得以延續(xù)的原因，也是數(shù)據(jù)中心層面的節(jié)能措施，這可能會(huì)為可預(yù)見的智能爆炸開綠燈。


光子冷卻之路


這項(xiàng)技術(shù)在商業(yè)現(xiàn)實(shí)之前，仍存在一些挑戰(zhàn)。目前，用于光子冷板的材料符合基本要求，繼續(xù)開發(fā)更高效的激光冷卻材料將提高系統(tǒng)性能，將在經(jīng)濟(jì)上越來越有吸引力。迄今為止，只有少數(shù)材料經(jīng)過研究，并且純度足夠高，可以進(jìn)行激光冷卻。我們認(rèn)為，在光學(xué)工程和薄膜材料加工的進(jìn)步的幫助下，光子冷板的小型化將對(duì)這項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)生類似于晶體管、太陽能電池和激光器的變革性影響。

同時(shí)，我們需要對(duì)處理器、封裝和冷卻系統(tǒng)進(jìn)行共同設(shè)計(jì)，以最大限度地提高效益。這將需要傳統(tǒng)上孤立的半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)之間的密切合作。我們正在與行業(yè)合作伙伴合作，努力促進(jìn)這一共同設(shè)計(jì)過程。

從基于實(shí)驗(yàn)室的設(shè)置過渡到大批量商業(yè)制造要求開發(fā)高效的工藝和專用設(shè)備，全行業(yè)的采用需要光學(xué)接口、安全協(xié)議和性能指標(biāo)的新標(biāo)準(zhǔn)。盡管還有很多工作要做，但我們現(xiàn)在沒有看到大規(guī)模采用光子冷卻技術(shù)的任何根本障礙。

在目前的愿景中，預(yù)計(jì)該技術(shù)將在2027年之前在高性能計(jì)算和人工智能（AI）訓(xùn)練集群中早日采用，每瓦冷卻的性能將提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。然后，在2028-2030年期間，希望看到主流數(shù)據(jù)中心的部署，同時(shí)IT能耗降低40%，計(jì)算能力翻一番。2030年后，預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)從超大規(guī)模到邊緣的無處不在的部署，使新的計(jì)算范式僅受算法效率而非熱約束的限制。

二十多年來，半導(dǎo)體行業(yè)一直在努力應(yīng)對(duì)暗硅的迫在眉睫的威脅。光子冷卻不僅為這一挑戰(zhàn)提供了一種解決方案，而且從根本上重新構(gòu)想了性能、計(jì)算和能源之間的關(guān)系，計(jì)算的未來是光子的、高效的、非�？岬�。（編譯：鐠元素；來源：IEEE官網(wǎng)）