文章核心观点 - 随着芯片制程演进至纳米片与CFET时代，晶体管密度和功率密度持续攀升，热管理问题已成为制约芯片性能释放和算力发展的核心瓶颈，行业竞争焦点从尺寸微缩转向“谁能更有效地搬运热量” [2] - 传统的远端散热方案已无法满足高功率密度芯片的需求，行业正积极探索从芯片级、封装级到系统级的多种先进散热技术路径，包括近芯片冷却、芯片内嵌冷却、高性能热管理材料及背面供电等架构革新 [12][13][29] - 解决未来芯片的热挑战无法依赖单一技术，需要跨材料、设计、封装、架构等多领域的系统级协同优化（如STCO/TDA），散热已从辅助工程演变为定义算力天花板的核心变量 [48][49][75] 宏观危机：热通量爆炸与“暗硅”困局 - 摩尔定律推动晶体管数量翻倍的同时，Dennard缩放定律在2000年代中期失效，导致功率密度随逻辑密度同步攀升，热量积聚成为严重问题 [10] - 当前处理器上的热点功率密度已达1 kW/cm²，超过火箭喷嘴内部的温度，发热限制导致芯片中无法同时运行的“暗硅”比例已从10%升至20%甚至更高 [10] - 高温会减缓电信号传播、导致芯片性能永久退化并加剧晶体管漏电流，最终削弱整体能效，为完成相同计算任务需消耗更多电能 [6][7] 路径探索：芯片级散热技术途径 - 芯片级散热技术分为主动式（如强制对流、热电制冷）与被动式（如热管冷却），并根据热量传导路径分为远端冷却、近芯片冷却和芯片内嵌冷却三种架构，其中内嵌冷却通过微通道直接内部散热，是应对高功率密度的先进方案 [12][13] - 微型嵌入式液冷通过在芯片或基板刻蚀微流体通道实现，例如在硅层背面刻蚀200微米高通道可使FPGA温度降低60%以上，并可嵌入三维堆叠芯片之间 [15] - 高性能热管理材料不断涌现，如碳纳米管、银-金刚石复合材料、碳化硅等，其中金刚石薄膜导热系数高达1000–2200 W/m·K，远超硅的约150 W/m·K，但面临成本高和工艺复杂等挑战 [20][22][59] - 其他技术包括在微流控通道使用可蒸发制冷剂、动能冷却引擎（将风扇与散热鳍片合一使效率提高50%）、芯片内TSV散热以及推进混合式热界面材料（TIM）架构等 [17][19][22][24][25] 架构革命：纳米片与背面供电（BSPDN）的技术博弈 - 晶体管架构从FinFET转向GAA（纳米片）和CFET，例如三星已宣布量产全球首款2nm GAA工艺的手机芯片，而CFET量产时间点预计提前至2026年Q2-3 [30][32] - 架构演进带来新的热挑战，例如A5 CFET节点相比前代功率密度提高12%~15%，在相同电压下结温将上升约9°C，在数据中心密集环境中可能引发热失控 [34] - 背面供电（BSPDN）通过将电源线移至芯片背面以降低电阻和实现低压运行，但需要将硅基底从750微米减薄至约1微米，这削弱了横向导热能力，仿真显示可能使80核心服务器SoC的热点温度升高高达14°C [35][38][40][41] - 行业正在为“CMOS 2.0”新范式做准备，通过引入先进晶体管架构、专用逻辑层以及系统与工艺协同优化（STCO）来整体优化性能、功耗和散热 [42][48] 未来散热终极方案：台积电与英伟达的战略路线 - 芯片功耗持续飙升，英伟达Blackwell B300的TDP已达1400W，未来Rubin架构功耗预计逼近2000W-5000W [51] - 在复杂封装（如CoWoS）和液冷方案中，热流通路需穿越多个功能层和界面，任何一层导热性能不匹配都可能导致局部热点和热阻叠加，限制芯片性能 [53][55][57] - 解决热管理的核心方向之一是缩短热路径并降低界面热阻，例如引入高导热材料如SiC衬底（导热系数~370–490 W/m·K）、金刚石薄膜/CVD金刚石以及铜-金刚石复合材料 [57][59][66] - 另一方向是增加热交换的有效表面积，业界探索的方案包括微通道盖（MCL）、直接液体冷却（DLC）以及TIM材料的持续演进（从导热硅脂向纳米级直接键合发展） [68][70][72] - 台积电与英伟达的战略趋同于降低热阻和增加有效散热面积，台积电侧重发展TIM、硅集成微流控及SiC/金刚石衬底，而英伟达强调MLCP和系统级液体冷却，双方均将散热视为设计技术协同优化（DTCO/STCO）的核心组成部分 [73][74]

文章核心观点 - 现代高性能芯片面临严重的热管理瓶颈，即“暗硅”问题，导致高达80%的晶体管必须保持断电以防过热 [1] - 传统空气和液体冷却方法存在热瓶颈，难以应对未来芯片的功率密度，热点功率密度可达每平方毫米数十瓦 [1] - 光子冷却技术提供了一种变革性解决方案，通过将热量直接转化为光能从内到外冷却芯片，冷却能力可达每平方毫米数千瓦，比现有技术高出几个数量级 [2] - 该技术有望消除暗硅、提升时钟频率、简化3D集成热管理、降低数据中心总能耗，并实现高达60%的废能回收率 [9][10] - 技术商业化路径清晰，预计2027年前在高性能计算和人工智能领域早期应用，2030年后有望实现无处不在的部署 [13] 技术原理与现状 - 光子冷却基于反斯托克斯荧光原理，材料吸收低能光子后发射高能光，并在此过程中冷却下来 [2][3] - 技术成功的关键在于使用特定材料（如镱离子掺杂）以确保高效的能量转换，避免加热 [3] - 当前实验室已在掺镱石英玻璃中实现90瓦的冷却功率，但需提高多个数量级才能满足芯片冷却需求 [4] - 技术小型化是提升性能的关键，通过薄膜芯片级光子冷板实现更精确的热点定位和更高的冷却效率 [4] 光子冷板设计与演示 - 光子冷板核心组件包括耦合器、微制冷区域（提取器）、背反射器和传感器，协同工作以精准冷却热点 [5] - 冷却过程由激光触发，通过传感器检测热点并引导激光照射相应位置，实现动态定向冷却 [5] - 公司正利用多物理场仿真模型和逆向设计工具优化冷板，目标是将冷却功率密度提高两个数量级 [6] - 目前正与多家研究机构合作，构建一平方毫米尺寸的光子冷板演示版本，并在试验多种掺杂剂以提升性能 [6] - 未来集成方案计划将冷板“瓷砖”尺寸缩小至100x100微米，并通过片上光子网络路由激光，实现更高精度的冷却 [7] 对芯片与数据中心的影响 - 光子冷却技术可消除暗硅悖论，允许芯片上更多晶体管同时工作，充分发挥现代晶体管密度的潜力 [9] - 技术能将芯片温度保持在50°C以下，远低于当前90-120°C的热点温度，从而允许实现更高的时钟频率 [9] - 该技术为3D芯片集成提供了可行的热管理方案，通过在堆叠的每一层添加光子冷板来简化3D设计 [10] - 结合空气冷却，该技术可使当前一代芯片的总能耗降低50%以上，未来芯片的节能效果将更显著 [10] - 通过热光伏技术将冷却产生的光能转化为电能，可实现高达60%的能量回收率，将热管理从负担转变为资源 [10][13] 发展路径与挑战 - 技术商业化需持续开发更高效的激光冷却材料，并推动光学工程和薄膜材料加工技术的进步 [12] - 需要处理器、封装和冷却系统的协同设计，这要求半导体生态系统中传统孤立的环节进行密切合作 [12] - 从实验室过渡到大规模生产需开发高效的工艺流程、专用设备以及新的光学接口和安全标准 [12] - 预计2027年前该技术将在高性能计算和AI训练集群中早期应用，冷却性能实现量级提升 [13] - 2028至2030年间，目标是在主流数据中心部署，实现IT能耗降低40%且计算能力翻倍 [13]