激光散热助力芯片突破摩尔定律限制

风冷、液冷已过时！芯片散热有了新途径——用激光。

如今，热量不仅能“移动”，还能直接“消失”。

这听起来似乎有悖物理学常识，但正逐渐成为现实。

初创公司Maxwell Labs最新提出的光子冷却方法，能直接将热量转化为光，并在芯片内部去除。

与传统方法不同，光子冷却无需对整块芯片降温，而是精确瞄准芯片热点，大幅提升了散热效率。

一旦该技术完全成熟，不仅能大幅提升单颗芯片的可用功率、解决3D芯片堆叠散热问题，还有助于建立大规模数据中心。

下面详细介绍具体细节：

光子冷板让热能变成光

通常，激光可视为热源，常用于切割材料或传输数据。而激光能诱导冷却，源于荧光过程。

大家对荧光并不陌生，荧光笔、珊瑚礁等荧光现象，都是将紫外线中的高能光转化为可见的低能光。

一般情况下，吸收能量高于发射能量会使材料升温。但如果吸收低能光、发射高能光，材料就会降温。

这种现象在物理学中被称为反斯托克斯冷却：特殊材料受窄范围激光照射时，离子能有效吸收入射光，并结合材料晶格振动触发发射更高能量的光。

需注意让发射光尽快逸出，否则会被再次吸收导致温度回升。

Maxwell Labs将该原理集成到薄膜芯片级光子冷板上，实现芯片的光子冷却。

具体而言，光子冷板检测功率密度新增区域，将光精准耦合到附近，把局部热点降至目标温度。

光子冷板需满足两个条件：一是小型化，以便对热点进行更精准的空间定位；二是层次较薄，防止发射光被重新吸收。此外，要按光的波长尺度设计材料，增加对入射光的吸收。

其主要组件包括：

耦合器：

它是将入射激光聚焦到微制冷区域的透镜，同时引导入射的载热荧光灯出芯片。

微制冷区域：

这是实际发生反斯托克斯冷却的地方。

背反射器：

它可防止入射激光和荧光灯直接照射CPU或GPU。

传感器：

用于检测热点形成，协助将激光引导到热点上。

将一系列一平方毫米的光子冷板平铺在芯片基板顶部，用外部热像仪感应芯片热点。热点出现时，激光照射旁边的光子冷板，刺激光子过程提取热量，实现降温。

此外，研究人员建立了多物理场仿真模型和逆向设计工具，搜索更多可调节参数，希望将冷却功率密度再提高两个数量级。

比风冷液冷更高效

芯片为何需要散热？原因很简单，芯片运行中会持续产生热量，过热会严重影响性能、可靠性，甚至导致损坏。

随着现代高性能CPU/GPU晶体管密度增加、功率密度急剧上升，传统散热方式（风冷、液冷）在热点区域效果不佳。

近几年，芯片厂商围绕热限制提出诸多解决方案，主要集中在两个方向：加快热量导出和减少热量产生。

例如，为加快热量导出，采用热导率更高的材料，或设计热通道结构增加散热面积；通过动态电压频率调节、功率门控、低功耗设计等技术从源头减少热输出。

英特尔六月提出的芯片封装技术，将传统EMIB技术升级为带垂直通道的连接，降低功率路径热产出。

同时，在封装中设计分段集成热扩散器结构，解决大面积硅片弯曲问题，改善热通道导出效果。

AMD同月针对嵌入式器件提出新散热设计方案，采用优化的TIM改善热接触，建议封装选无金属封盖，减少内部TIM热阻。

另外，英伟达近年强调MLCP、系统级液体冷却、散热和封装架构设计；台积电则侧重TIM、硅集成微流控等材料封装解决方案。

微软近期成功测试新型芯片冷却系统，用微流体技术将微小液体通道蚀刻到硅上。

测试显示，该系统可将GPU升温降低65%，有助于实现更高功率密度的芯片设计。

……

总体来看，这些方法是在液冷风冷基础上迭代，而新提出的光子冷却提供了新的解决方案，效果显著。

热力学分析表明，初代激光冷却装置的散热功率比空气及液态冷却系统高两倍多，具体体现在：

1、消除暗硅问题。

多核或超大规模集成电路中，因功耗和散热限制，多数芯片单元不能同时以最大频率工作，80%需在给定时间内处于未激活状态。

光子冷却能在热点刚形成时去除热量影响，让更多晶体管同时运行，充分发挥芯片效能。

2、实现更高的时钟频率。

该技术可使芯片温度保持在50°C以下，而传统散热方式下芯片温度普遍在90至120°C，集成扩大后温度更高。

低温环境有助于芯片实现更高时钟频率，在不增加晶体管密度的情况下提升性能，突破摩尔定律上限。

3、3D集成在热管理上实现可控。

激光辅助冷却能精准定位热点，更易从3D堆栈中去除热量，如每层添加光子冷板控温，3D芯片设计更简约。

4、激光冷却更高效。

激光冷却可使芯片保持恒温，大幅降低对流冷却系统整体功耗。实验表明，激光冷却与空气冷却结合时，芯片总体能耗可降低50%甚至更多。

5、循环回收更多废能。

激光冷却能回收比风冷和液冷更多的废能，通过将光收集到光缆，再用热光伏转化为电能，实现高达60%的能量回收。

研究团队预计，该技术突破将于2027年落地实用，届时高性能计算和人工智能集群将借助光子冷却提高每瓦冷却性。

2028 - 2030年，或将完成主流计算中心部署，降低IT能耗40%，计算能力翻倍，2030年后推广至边缘计算。

光子冷却重构了性能、计算和能力的关系，将热管理问题转化为可再生资源重复利用。正如作者所说：计算的未来是光子的、高效的和非常酷的。

参考链接：

[ 1 ] https://spectrum.ieee.org/laser-cooling-chips?utm_source=homepage&utm_medium=hero&utm_campaign=hero-2025-10-19&utm_content=hero1

[ 2 ] https://x.com/wallstengine/status/1970553554269053027

[ 3 ] https://spectrum.ieee.org/intel-advanced-packaging-for-ai

[ 4 ] https://docs.amd.com/r/en-US/xapp1377-heatsinks-thermal/Summary

[ 5 ] https://tspasemiconductor.substack.com/p/tsmc-x-nvidia-breaking-the-thermal

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