Cовременные высокопроизводительные чипы содержат десятки миллиардов транзисторов. Проблема в том, что их нельзя использовать все сразу. В противном случае они бы создали «горячие точки» — участки с высокой температурой, сконцентрированной в крошечных областях, — с плотностью энергии, близкой к той, что наблюдается на поверхности Солнца. Это привело к досадному парадоксу, известному как «тёмный кремний» — термин, придуманный разработчиками компьютеров для описания растущей части чипа, которая должна оставаться обесточенной.
До 80 % транзисторов на современном чипе должны оставаться «темными» в любой момент времени, чтобы чип не перегревался. . Это все равно что построить небоскреб и использовать только первые 10 этажей.
В течение многих лет производители боролись с этим тепловым ограничением с помощью более мощных вентиляторов и более сложных систем жидкостного охлаждения. Но по сути это временные решения. Независимо от того, используется ли воздух или жидкость, они основаны на отводе тепла от поверхности чипа. Тепло сначала должно пройти через кремний к охлаждающей пластине, что создаёт узкое место в системе охлаждения, которое просто невозможно преодолеть при той плотности мощности, которая будет у будущих чипов. «Горячие точки» на современных чипах потребляют десятки ватт на квадратный миллиметр и возникают в разных местах чипа в разное время в процессе вычислений. Воздушное и жидкостное охлаждение с трудом справляется с тем, чтобы сосредоточить усилия только на «горячих точках», когда и где бы они ни возникали, — они могут только пытаться охладить всю систему целиком.
Американский стартап Maxwell Labs предложил радикально новый подход: вместо того, чтобы просто отводить тепло, может просто заставить его исчезнуть? Технология, называемая фотонным охлаждением, способна преобразовывать тепло непосредственно в свет, охлаждая чип изнутри. При таком подходе вместо равномерного охлаждения всего чипа можно с лазерной точностью воздействовать на горячие точки по мере их формирования. По сути, этот метод позволяет охлаждать горячие точки с мощностью в тысячи ватт на квадратный миллиметр, что на порядок лучше, чем охлаждение современных чипов.
Лазеры обычно воспринимаются как источники тепла, и на то есть веские причины: чаще всего они используются для резки материалов или передачи данных. Но при определённых условиях лазерный луч может вызывать охлаждение. Секрет кроется в люминесцентном процессе, известном как флуорисценция.
Флуоресценция — это явление, благодаря которому светятся маркеры-выделители, коралловые рифы и белая одежда при освещении ультрафиолетовыми лампами. Эти материалы поглощают высокоэнергетический свет — обычно в ультрафиолетовом диапазоне — и переизлучают свет с меньшей энергией, часто в видимом спектре. Поскольку они поглощают больше энергии, чем излучают, разница часто приводит к нагреванию материала. Однако при определённых, очень специфических условиях может происходить обратное: материал может поглощать низкоэнергетические фотоны и излучать высокоэнергетический свет, при этом охлаждаясь.
Повторное излучение имеет более высокую энергию, поскольку оно сочетает энергию входящих фотонов с фононами, колебаниями в кристаллической решётке материала. Это явление называется антистоксовым охлаждением, и впервые оно было продемонстрировано в твёрдом теле в 1995 году, когда группа учёных охладила образец фторидного стекла, легированного иттербием, с помощью лазерного излучения.
Выбор иттербия в качестве легирующей примеси не был случайным: антистоксово охлаждение работает только в тщательно подобранных условиях. Поглощающий материал должен быть структурирован таким образом, чтобы почти при каждом поглощённом фотоне испускался фотон с более высокой энергией. В противном случае вступят в действие другие механизмы, которые будут нагревать образец, а не охлаждать его. Ионы иттербия и других подобных лантаноидов имеют правильную структуру электронных орбиталей, которая способствует этому процессу. При воздействии на материал лазерным излучением в узком диапазоне длин волн ионы могут эффективно поглощать падающий свет и использовать фононы для возбуждения излучения с более высокой энергией. Это повторно излучаемое, извлечённое тепловое излучение должно достаточно быстро покидать материал, чтобы не поглощаться снова, иначе это приведёт к нагреву.
На сегодняшний день лабораторные подходы позволяют достичь мощности охлаждения до 90 Вт в кварцевом стекле, легированном иттербием. Как бы впечатляюще это ни звучало, для достижения ожидаемых результатов в области высокопроизводительных чипов необходимо увеличить мощность охлаждения на много порядков. Для этого необходимо интегрировать механизм фотонного охлаждения в тонкопленочную фотонную охлаждающую пластину размером с чип. Миниатюризация не только позволяет более точно воздействовать на горячие точки за счёт узконаправленного луча, но и является ключевым элементом для перехода физикилазерного охлаждения в режим высокой мощности и эффективности. Более тонкий слой также снижает вероятность повторного поглощения света до того, как он покинет плёнку, что позволяет избежать нагрева. А за счёт создания материалов размером с длину волны света обеспечивается более эффективное поглощение входящего лазерного луча