在數位時代的浪潮下，資料中心為支撐我們日常生活的重要運算資源，從雲端服務到人工智慧，龐大的計算需求不斷攀升，但也帶來了嚴峻的能源挑戰。資料中心運作消耗著驚人的電力，其中很大一部分更用於維持硬體的運作溫度。傳統的冷卻方式，如空調和液體冷卻，不僅成本高昂，還可能對環境造成負擔。面對日益嚴峻的能源危機，尋找更高效、更環保的冷卻方案已成為資料中心產業的當務之急。尤其在AI時代，AI模型訓練與運行對算力需求激增，產生大量熱能，資料中心如何有效冷卻是個至關重要的安全以及能源議題。高效冷卻不僅關乎硬體穩定，更直接影響AI發展速度與能耗成本，近期(2025年2月)，一項突破性的技術浮出水面，獲得了很多人的關注，有望徹底改變資料中心的冷卻格局——那就是利用雷射進行冷卻。
EPITAXY — 桑迪亞的材料科學家 Sadhvikas Addamane 正注視著分子束磊晶反應器的觀察窗，這是一種高度專業化的設備，桑迪亞將使用它來製造由新創公司 Maxwell Labs 設計的實驗性光子冷卻板，以供測試。（照片由 Craig Fritz 拍攝），圖片來源：Sandia National Laboratories
雷射冷卻的概念
提到雷射，人們通常會聯想到高溫、切割等應用。然而，在特定的科學條件下，精確控制的雷射卻能展現出令人驚訝的冷卻能力。這項技術並非天方夜譚，事實上，它已在冷卻反物質、生物研究以及量子現象研究等尖端領域有所應用。
其核心原理在於，透過精確調校雷射的頻率，使其與特定材料微小區域的原子振動產生相互作用，從而帶走能量，實現降溫的效果。正如桑迪亞實驗室的專案首席物理學家 Raktim Sarma 所言：「我們只需冷卻約幾百微米大小的區域，約是一粒灰塵的尺寸。」這項技術的巧妙之處在於其精準性，能夠直接針對電腦晶片上的熱點進行冷卻，而非像傳統方式那樣冷卻整個機房或設備。目前的研究與發展
目前，這項雷射冷卻技術正由一家名為 Maxwell Labs 的明尼蘇達州新創公司積極開發中，他們正與美國聯邦政府資助的頂尖研究機構——桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）以及新墨西哥大學展開緊密合作，共同研發名為「光子冷卻」的創新方案。
薄膜 — 這種在桑迪亞生產的砷化鎵基半導體厚度小於一微米。（照片由 Craig Fritz 拍攝），圖片來源：Sandia National Laboratories
Maxwell Labs 的目標是打造一種「光子冷板」，這種冷板內部包含極其微小的結構，其尺寸僅為人類頭髮寬度的千分之一左右。這些微小結構的作用是精確引導冷卻雷射，使其能夠準確地瞄準電腦晶片上的熱點。為了確保系統的有效運作，光子冷板的關鍵材料——砷化鎵——需要達到極高的純度，並且其晶體層的厚度必須控制在不到一毫米的精確範圍內。這是因為任何雜質都可能被雷射加熱，從而抵消冷卻效果。桑迪亞實驗室在這方面擁有獨特的優勢，他們長期以來一直為美國核武庫生產高品質的半導體，並掌握了分子束磊晶（MBE）等先進技術，能夠在超高真空的環境下精確控制材料的原子層生長，確保砷化鎵晶體的超高純度。
潛在優勢與解決資料中心能源難題
如果這項雷射冷卻技術能夠成功應用於資料中心，其潛在優勢將是巨大的，並有望從根本上解決資料中心長期以來面臨的能源難題：
- 顯著降低能源消耗： 資料中心高達 30%~40% 的能源消耗都用於冷卻設備，雷射冷卻的精準性和高效性有望大幅降低這部分能耗，從而降低運營成本和碳排放。
- 減少用水量： 許多傳統的冷卻系統依賴大量的水來散熱，雷射冷卻技術的發展將有助於減少甚至消除對水的依賴，這對於水資源緊張的地區更為重要。
- 提高晶片性能： 過熱是限制晶片性能的重要因素之一。雷射冷卻能夠精確控制熱點溫度，有效防止熱節流（thermal throttling），使處理器始終處於最佳運行狀態，從而提升整體計算性能。
- 創新的能源回收模式： 更令人興奮的是，Maxwell Labs 的系統還有望實現能源回收，他們設想能夠以光的形式提取熱量，並將其轉換回電能，這將是傳統冷卻技術難以實現的突破。
- 突破晶片設計限制： Maxwell Labs 的 CEO Jacob Balma 認為，精準的光能定位和控制局部熱點的能力，將徹底打破晶片設計中根深蒂固的熱約束，為未來的計算機架構帶來革命性的變化。
挑戰、潛在效益與未來展望
儘管雷射冷卻展現出巨大的潛力，但將其從實驗室推向大規模商業應用仍然面臨諸多挑戰：
- 技術成熟度與可擴展性： 目前這項技術仍處於早期研發階段，如何將針對微小區域的精確冷卻擴展到整個資料中心龐大的硬體規模，是一個巨大的技術難題。
- 成本效益： 開發和部署複雜的雷射冷卻系統的初始成本預計會非常高昂，需要證明其長期運營成本的優勢才能吸引產業採用。
- 穩定性與維護： 雷射系統的長期穩定性、可靠性以及維護需求也是需要仔細評估和解決的問題。
- 材料科學的挑戰： 確保大規模生產高純度、高品質的砷化鎵晶體，並控制其厚度在微米甚至奈米級別，對材料科學和製造工藝提出了極高的要求。
然而，一旦這些挑戰得以克服，雷射冷卻技術所帶來的潛在效益將是巨大的。它不僅能夠顯著降低資料中心的能源消耗和環境足跡，還可能推動晶片性能的飛躍，為未來的計算技術開闢新的可能性。
結語
利用雷射冷卻資料中心電腦，無疑是一項極具前瞻性和創新性的技術。這麼大的設備要放到伺服器等級的機組內很難，看起來距離大規模應用還非常遠，但 Maxwell Labs 和其合作夥伴所取得的突破性進展，為解決資料中心能源難題帶來了一線曙光。這項技術不僅有望使未來的資料中心更加環保和高效，更可能從根本上改變我們對計算機硬體設計和性能的認知。我們也只能拭目以待，多年後，這項革命性的雷射冷卻技術是否能在未來重塑資料中心的樣貌。
參考資料
A surprise contender for cooling computers: lasers-Sandia LabNews
