摘要：面对这些热失控的风险，芯片设计者不得不闲置处理器上高达 80% 的晶体管——这就是著名的“暗硅”（Dark Silicon）困境。传统的风冷、液冷技术效率还有待进一步提升，芯片的性能飞跃，正在等待一场散热的革命。

随着晶体管密度不断增加，芯片的热量密度急剧上升，散热压力与日俱增。一旦散热失效，轻则引发性能衰减和系统不稳，重则加速硬件老化、缩短寿命。

面对这些热失控的风险，芯片设计者不得不闲置处理器上高达 80% 的晶体管——这就是著名的“暗硅”（Dark Silicon）困境。传统的风冷、液冷技术效率还有待进一步提升，芯片的性能飞跃，正在等待一场散热的革命。

而最近，一家名为 Maxwell Labs 的美国初创公司，正试图用一个全新的方式来打破僵局：光子冷却——利用光，从芯片的内部移除热量。

要理解光子冷却，我们必须首先改变对“光”的固有认知。因为它利用的是量子物理学中的反斯托克斯荧光（Anti-Stokes Fluorescence）效应。

简单来说，传统的荧光是个“能量降级”的过程：材料吸收高能光，吐出低能光，差额变成热量散发。而 Maxwell Labs 利用的反斯托克斯冷却则是逆向操作：他们向芯片特定区域发射低能激光，这些光子会主动“吸收”代表热量的晶格振动能量（声子），从而提升自身能量，最终以更高能的“冷光”形式离开。根据能量守恒定律，光子带走的这份额外能量，正是从芯片内部“抽取”的热量，从而实现精准降温。

为了确保这一冷却过程持续有效，技术设计至关重要：必须尽快确保这些携热离去的“冷光”能够迅速穿透并逸出芯片材料，避免被重新吸收，而实验结果显示这项技术的冷却响应速度已经达到光学时间尺度（Optical Timescale），能够瞬间对芯片上任何热点做出反应，这是风冷和液冷等传统方法望尘莫及的。

要实现这个过程，需要几个核心的硬件载体协同工作：光子冷板，以及上面配置的耦合器、背反射器和传感器。

图 | 光子冷却技术核心组件（来源：IEEE Spectrum）

在实际部署中，光子冷板（尺寸仅约一平方毫米）被平铺放置在芯片基板顶部，形成一个致密的冷却阵列。整个降温过程始于传感器（或外部热像仪）对芯片热点位置和强度的实时监控。一旦识别出过热风险，系统便会瞬时启动耦合器，将精确调校的低能激光束高效聚焦并导入到热点附近的微制冷区域。

在该区域内，反斯托克斯荧光效应被激活，芯片热量被转化为高能光。随后，耦合器再次发挥其“光导”作用，确保这些携热的“冷光”被迅速引出芯片，防止热量二次吸收。同时，背反射器作为一道光学屏障，确保入射激光和发射的荧光不会直接照射到敏感的 CPU 或 GPU 核心，保证设备安全。

通过这种高度协同、多组件配合的光学热量“交易”，系统实现了对芯片热点的持续、精准恒温控制。研究团队目前正借助多物理场仿真和逆向设计工具，探索进一步优化组件间的配合机制，目标是将冷却功率密度再提高两个数量级。

当然，对于任何一项革命性技术而言，从实验室到商业部署，工程可靠性与总拥有成本（TCO, Total Cost of Ownership）的核算都十分重要。

在工程挑战方面，光子冷却对激光系统的稳定性依赖极高。系统需要大量的微型激光器来为每个冷板供能，这些激光器自身的发热量和寿命能否得到有效控制，是新的工程瓶颈。此外，组件的集成难度亦不可小觑。光子冷板、耦合器和反射器等组件必须以纳米级的精度集成到芯片封装中，这要求芯片制造商采用全新的异构集成（Heterogeneous Integration）工艺和材料，这意味着极高的初始投入和工艺验证周期。

这项技术也面临严苛的材料科学挑战。据 Photonics Spectra 等媒体报道，光子冷板的核心材料，例如砷化镓（Gallium Arsenide, GaAs），必须保持极高的纯度。因为激光一旦与材料中的微小杂质发生作用，很容易产生寄生热量，抵消甚至逆转冷却效果。因此，如何实现高纯度、纳米级器件的规模化和低成本制造，是决定其商业化进程的生命线。为此，Maxwell Labs 已与桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）等顶尖机构合作，进行材料的制造和热性能评估。

图 | 桑迪亚国家实验室科学家进行热测试（来源：Sandia National Laboratories）

然而从长远角度来看，这些初始的高额投入有望被显著的运营成本（OPEX）节约所抵消。虽然高纯度砷化镓冷板的初始 CAPEX 成本可能高于传统散热，但光子冷却在效率上的代际优势是惊人的：它承诺将 IT 能耗降低 40%，同时实现高达 60% 的能量回收。这意味着随着时间的推移，数据中心通过节约的电费和维护成本（无水、无泵），将迅速摊平甚至超越初始投资。这种将热管理问题转化为可再生能源利用的新范式，是驱动大型数据中心和云服务提供商采纳的关键驱动力。

为了更快地进行商业化推进，Maxwell Labs 已经推出了MXL-Gen1 光子冷却早期访问计划，寻求与行业伙伴的实际应用测试。根据研究团队的预计，该技术带来的突破将会在 2027 年得以落地实用，届时高性能计算和人工智能集群将率先受益。随后在 2028 年至 2030 年间，光子冷却有望完成主流计算中心的部署，将 IT 能耗降低 40%，同时计算能力翻倍，并逐渐推广至边缘计算。

未来会如何，我们还需等待。或许它所开启的，不仅是芯片散热的下一个时代，更是高性能计算走向可持续未来的新路径。

参考链接：

1.https://spectrum.ieee.org/laser-cooling-chips

2.https://mxllabs.com/

3.https://newsreleases.sandia.gov/a-surprise-contender-for-cooling-computers-lasers/

4.https://www.photonics.com/Articles/Maxwell-Labs-Sandia-Collaborate-to-Test/a70908

运营/排版：何晨龙

来源：DeepTech深科技一点号