钻石芯片，成为新宠

公众号记得加星标⭐️，第一时间看推送不会错过。

来源 ： 内容来自连线 。

随着科技公司竞相建设更多数据中心，用于容纳运行最新人工智能模型的服务器，这些设施的耗电量也随之飙升。但这些电力大部分根本没用于计算。它们以最粗暴的方式被浪费：以热量的形式，从现代芯片中数千亿个晶体管中散发出来。

“芯片中隐藏的秘密是，超过一半的能量在晶体管层面上以漏电流的形式被浪费掉了，”南旧金山一家专门生产用于电子产品的钻石的 Diamond Foundry 公司电气工程师兼企业家 R. Martin Roscheisen 说道。

这些热量会极大地浪费能源，显著缩短芯片寿命，降低芯片运行效率，并产生更多浪费的热量。因此，数据中心的关键任务之一是降低服务器温度，以确保其平稳运行。

罗斯柴森先生是众多工程师之一，他们正在开发将微小的人造金刚石嵌入芯片以保持芯片冷却的方法。金刚石不仅是已知最坚硬的材料，而且还非常善于将热量从一个地方传导到另一个地方。

英国布里斯托大学物理化学家保罗·梅表示：“大多数人没有意识到，钻石的导热性能是所有材料中最好的。”他还补充说，钻石的导热速度比铜快几倍，而铜是芯片散热器中常用的材料。

金刚石的高导热性源于其坚硬的特性：每个碳原子都与四个相邻的碳原子牢固结合，任何方向上都不存在薄弱环节。这些强键能够有效地传递振动，使热量在晶体中传递。

“现在市面上已经可以买到使用钻石散热器的高端电子产品了，”梅博士说道。“几年之内，甚至连家用电脑或手机的处理器都可能安装钻石散热器。”

近年来，罗斯柴森的公司一直在探索如何制造一层薄薄的散热金刚石，并将其附着在芯片制造硅片的背面。这种方法的一大卖点是，其薄金刚石层由单晶构成，比晶体阵列散热效果更好。但这种薄层制造起来更困难，因此成本也更高。

该公司通过制造富含碳的高温气体或等离子体，并诱导其以精确的排列方式沉积碳原子来制造钻石。据该公司称，关键步骤是让每颗钻石开始结晶，就像生长在一层现有的、完美有序的钻石之上一样。

这有效地展示了新的碳原子如何组合在一起。该公司网站指出，如果没有这条指令，就“就像几个人试图从房间的不同角落铺地板，却没有使用模板：它们会在中间某个地方相遇，无法拼合成一个单一的、统一的晶体”。

该公司表示，在制作出4英寸宽的金刚石圆盘后，他们使用专利技术将金刚石打磨得非常平整，确保整个晶圆表面上下不会出现大于一个原子的缺陷。客户随后可以将平坦的金刚石晶圆贴附到硅基芯片的底部。

罗斯柴森先生说，金刚石层“彻底消除了芯片热点，它们实际上已经消失了。”

麻省理工学院机械工程师伊芙琳·王 (Evelyn Wang) 表示：“这种方法可以显著降低热阻。”但她指出，该技术尚未得到商业验证。

元素六公司（Element Six）隶属于钻石公司戴比尔斯（De Beers），长期以来一直生产用于工业用途的钻石，以及用于冷却包括通信卫星在内的强大无线电通信设备芯片的钻石。现在，该公司正在推广用于冷却计算机芯片的钻石。

业务发展主管 Bruce Bolliger 表示：“下一代人工智能和高性能计算设备的散热需求正在重新激发人们对先进冷却解决方案的兴趣。”

今年1月，该公司宣布了一种新材料——金刚石和铜的混合物，旨在比单纯的铜更好地传导热量，同时价格也比金刚石更低。博利格先生表示，“铜金刚石复合材料为强大的新型芯片提供了最佳的热管理解决方案”，这可以提高芯片的运行速度、延长使用寿命，并降低数据中心的冷却成本。

斯坦福大学电气工程师 Srabanti Chowdhury 正在利用钻石探索一种新型、功能更强大的计算机芯片。

史上，提高芯片速度的主要方法是缩小晶体管尺寸，并将更多晶体管塞进平坦的硅片上。但芯片制造商正在遭遇晶体管尺寸的物理极限。研究人员曾尝试通过将晶体管层叠来解决这个问题，但多层晶体管会产生更多热量。

乔杜里博士的团队试图利用由多晶体构成的金刚石层来吸走热量，这种金刚石层比单晶体更容易制造。但他们面临着一些障碍。通常情况下，多晶金刚石层的晶体是垂直排列的，不太擅长水平散热，而水平散热是芯片的主要要求，因为芯片又平又宽。

此外，钻石通常在超过700摄氏度（1300华氏度）的温度下生长，但这对于作为芯片基础的硅来说太热了。当乔杜里博士的团队尝试在较低温度下将钻石沉积在硅上时，他们遇到了晶体无法正确形成的问题。“所有喜欢在高温下生长的晶体，在低温下生长都会出现问题，”她说。

这项研究的部分资金来自美国国防部下属研究机构 DARPA。佐治亚理工学院机械工程师兼 DARPA 项目经理 Yogendra Joshi 表示：“将这项低温技术与其他散热方法相结合，可以释放目前无法实现的计算能力。”

乔杜里博士表示，她和其他研究人员正在努力应对一个既古老又新颖的挑战。“发热问题早已存在，但现在随着人工智能的真正发展，它就像一根曲棍球棒——我们看到这个问题变得越来越严重，”她说。“我从未见过任何事如此迅速地变得如此重要。”

*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。

今天是《半导体行业观察》为您分享的第4192期内容，欢迎关注。

加星标⭐️第一时间看推送，小号防走丢

求推荐