風(fēng)冷、液冷已過時！芯片散熱有了新途徑——用激光。

如今，熱量不僅能“移動”，還能直接“消失”。

這聽起來似乎有悖物理學(xué)常識，但正逐漸成為現(xiàn)實。

初創(chuàng)公司Maxwell Labs最新提出的光子冷卻方法，能直接將熱量轉(zhuǎn)化為光，并在芯片內(nèi)部去除。

與傳統(tǒng)方法不同，光子冷卻無需對整塊芯片降溫，而是精確瞄準芯片熱點，大幅提升了散熱效率。

一旦該技術(shù)完全成熟，不僅能大幅提升單顆芯片的可用功率、解決3D芯片堆疊散熱問題，還有助于建立大規(guī)模數(shù)據(jù)中心。

下面詳細介紹具體細節(jié)：

光子冷板讓熱能變成光

通常，激光可視為熱源，常用于切割材料或傳輸數(shù)據(jù)。而激光能誘導(dǎo)冷卻，源于熒光過程。

大家對熒光并不陌生，熒光筆、珊瑚礁等熒光現(xiàn)象，都是將紫外線中的高能光轉(zhuǎn)化為可見的低能光。

一般情況下，吸收能量高于發(fā)射能量會使材料升溫。但如果吸收低能光、發(fā)射高能光，材料就會降溫。

這種現(xiàn)象在物理學(xué)中被稱為反斯托克斯冷卻：特殊材料受窄范圍激光照射時，離子能有效吸收入射光，并結(jié)合材料晶格振動觸發(fā)發(fā)射更高能量的光。

需注意讓發(fā)射光盡快逸出，否則會被再次吸收導(dǎo)致溫度回升。

Maxwell Labs將該原理集成到薄膜芯片級光子冷板上，實現(xiàn)芯片的光子冷卻。

具體而言，光子冷板檢測功率密度新增區(qū)域，將光精準耦合到附近，把局部熱點降至目標溫度。

光子冷板需滿足兩個條件：一是小型化，以便對熱點進行更精準的空間定位；二是層次較薄，防止發(fā)射光被重新吸收。此外，要按光的波長尺度設(shè)計材料，增加對入射光的吸收。

其主要組件包括：

耦合器：

它是將入射激光聚焦到微制冷區(qū)域的透鏡，同時引導(dǎo)入射的載熱熒光燈出芯片。

微制冷區(qū)域：

這是實際發(fā)生反斯托克斯冷卻的地方。

背反射器：

它可防止入射激光和熒光燈直接照射CPU或GPU。

傳感器：

用于檢測熱點形成，協(xié)助將激光引導(dǎo)到熱點上。

將一系列一平方毫米的光子冷板平鋪在芯片基板頂部，用外部熱像儀感應(yīng)芯片熱點。熱點出現(xiàn)時，激光照射旁邊的光子冷板，刺激光子過程提取熱量，實現(xiàn)降溫。

此外，研究人員建立了多物理場仿真模型和逆向設(shè)計工具，搜索更多可調(diào)節(jié)參數(shù)，希望將冷卻功率密度再提高兩個數(shù)量級。

比風(fēng)冷液冷更高效

芯片為何需要散熱？原因很簡單，芯片運行中會持續(xù)產(chǎn)生熱量，過熱會嚴重影響性能、可靠性，甚至導(dǎo)致?lián)p壞。

隨著現(xiàn)代高性能CPU/GPU晶體管密度增加、功率密度急劇上升，傳統(tǒng)散熱方式（風(fēng)冷、液冷）在熱點區(qū)域效果不佳。

近幾年，芯片廠商圍繞熱限制提出諸多解決方案，主要集中在兩個方向：加快熱量導(dǎo)出和減少熱量產(chǎn)生。

例如，為加快熱量導(dǎo)出，采用熱導(dǎo)率更高的材料，或設(shè)計熱通道結(jié)構(gòu)增加散熱面積；通過動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)、功率門控、低功耗設(shè)計等技術(shù)從源頭減少熱輸出。

英特爾六月提出的芯片封裝技術(shù)，將傳統(tǒng)EMIB技術(shù)升級為帶垂直通道的連接，降低功率路徑熱產(chǎn)出。

同時，在封裝中設(shè)計分段集成熱擴散器結(jié)構(gòu)，解決大面積硅片彎曲問題，改善熱通道導(dǎo)出效果。

AMD同月針對嵌入式器件提出新散熱設(shè)計方案，采用優(yōu)化的TIM改善熱接觸，建議封裝選無金屬封蓋，減少內(nèi)部TIM熱阻。

另外，英偉達近年強調(diào)MLCP、系統(tǒng)級液體冷卻、散熱和封裝架構(gòu)設(shè)計；臺積電則側(cè)重TIM、硅集成微流控等材料封裝解決方案。

微軟近期成功測試新型芯片冷卻系統(tǒng)，用微流體技術(shù)將微小液體通道蝕刻到硅上。

測試顯示，該系統(tǒng)可將GPU升溫降低65%，有助于實現(xiàn)更高功率密度的芯片設(shè)計。

……

總體來看，這些方法是在液冷風(fēng)冷基礎(chǔ)上迭代，而新提出的光子冷卻提供了新的解決方案，效果顯著。

熱力學(xué)分析表明，初代激光冷卻裝置的散熱功率比空氣及液態(tài)冷卻系統(tǒng)高兩倍多，具體體現(xiàn)在：

1、消除暗硅問題。

多核或超大規(guī)模集成電路中，因功耗和散熱限制，多數(shù)芯片單元不能同時以最大頻率工作，80%需在給定時間內(nèi)處于未激活狀態(tài)。

光子冷卻能在熱點剛形成時去除熱量影響，讓更多晶體管同時運行，充分發(fā)揮芯片效能。

2、實現(xiàn)更高的時鐘頻率。

該技術(shù)可使芯片溫度保持在50°C以下，而傳統(tǒng)散熱方式下芯片溫度普遍在90至120°C，集成擴大后溫度更高。

低溫環(huán)境有助于芯片實現(xiàn)更高時鐘頻率，在不增加晶體管密度的情況下提升性能，突破摩爾定律上限。

3、3D集成在熱管理上實現(xiàn)可控。

激光輔助冷卻能精準定位熱點，更易從3D堆棧中去除熱量，如每層添加光子冷板控溫，3D芯片設(shè)計更簡約。

4、激光冷卻更高效。

激光冷卻可使芯片保持恒溫，大幅降低對流冷卻系統(tǒng)整體功耗。實驗表明，激光冷卻與空氣冷卻結(jié)合時，芯片總體能耗可降低50%甚至更多。

5、循環(huán)回收更多廢能。

激光冷卻能回收比風(fēng)冷和液冷更多的廢能，通過將光收集到光纜，再用熱光伏轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)高達60%的能量回收。

研究團隊預(yù)計，該技術(shù)突破將于2027年落地實用，屆時高性能計算和人工智能集群將借助光子冷卻提高每瓦冷卻性。

2028 - 2030年，或?qū)⑼瓿芍髁饔嬎阒行牟渴?，降低IT能耗40%，計算能力翻倍，2030年后推廣至邊緣計算。

光子冷卻重構(gòu)了性能、計算和能力的關(guān)系，將熱管理問題轉(zhuǎn)化為可再生資源重復(fù)利用。正如作者所說：計算的未來是光子的、高效的和非?？岬?。

參考鏈接：

[ 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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