中国人工钻石，成为芯片新贵

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彭博社2日（当地时间）报道称，随着中国合成钻石成为制造先进半导体的关键材料，对中国合成钻石的需求正在迅速增长。

合成钻石主要用于珠宝行业，近年来作为半导体芯片的有效散热材料而备受关注，其应用范围已扩展至人工智能（AI）半导体领域。尤其值得一提的是，随着中国制造商开始商业化出货，市场对合成钻石的预期也日益高涨，他们高度重视合成钻石卓越的散热性能。 相关公司的股价也大幅上涨。

彭博社分析指出，这一趋势表明投资者正在积极寻找新的人工智能受益者。近期，随着投资资金涌入人工智能硬件相关领域，例如印刷电路板（PCB）和光模块，相关公司的股价也随之飙升。

此外，这一上升趋势表明人们对新一代散热材料的兴趣日益浓厚。市场分析师认为，由于钻石具有优异的导热性能，它正成为替代现有散热材料（例如铜和铝）的有力候选材料，并因此备受关注。

1日，华源证券分析师在一份报告中预测，“钻石冷却技术正在成为行业标准，其应用未来将扩展到人工智能和数据中心。”

野村证券中国科技与电信分析师段兵表示：“过去两三年，许多投资基金将投资重点放在人工智能核心领域，但最近它们正迅速将目标转向基本面稳健、供应短缺且定价权高的特定子领域。” 他补充道：“对供应链进行更深入的研究是必要的。”

钻石成为芯片散热新贵

随着科技公司竞相建造更多数据中心，用于存放运行最新人工智能模型的服务器，这些设施的耗电量正在飙升。但其中大部分电力根本没有用于计算，而是以最粗暴的方式被浪费掉了：转化为热量，从现代芯片中数千亿个晶体管的每一个都散发出来。

“芯片领域一个不为人知的秘密是，超过一半的能量在晶体管层面以漏电流的形式被浪费掉了，”南旧金山一家生产用于电子产品的特种钻石的公司 Diamond Foundry 的电气工程师兼企业家 R. Martin Roscheisen 说。

这种热量会造成巨大的能源浪费，显著缩短芯片寿命，降低运行效率，并产生更多无用的热量。因此，数据中心的一项关键任务就是降低服务器温度，以确保其平稳运行。

罗舍森先生是众多致力于研发将微小的合成钻石嵌入芯片中以达到散热效果的工程师之一。钻石不仅是已知最坚硬的材料，而且还具有极佳的导热性能。

“大多数人都没有意识到，钻石是所有材料中导热性能最好的，”英国布里斯托尔大学的物理化学家保罗·梅说道。他还补充说，钻石的导热速度比铜快好几倍，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极高的硬度：每个碳原子都与四个相邻原子牢固地键合在一起，没有任何薄弱环节。这些强键能够有效地传递振动，从而在晶体中传递热量。

梅博士说：“目前市面上已经可以买到使用钻石散热器的高端电子产品。不出几年，就连你家用电脑或手机里的处理器也可能配备钻石散热器。”

近年来，罗舍森先生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所用的硅晶片的背面。这种方法的优势之一在于，其薄金刚石层由单晶构成，比晶体阵列的散热性能更佳。但这种超薄金刚石层制造难度更大，因此成本也更高。

该公司制造钻石的方法是：先制造出一种富含碳的高温气体（或等离子体），然后引导其以精确的排列方式沉积碳原子。据该公司称，关键步骤在于诱导每颗钻石像生长在已存在的完美有序钻石层上一样开始结晶。

这有效地向新的碳原子展示了如何组装在一起。该公司网站指出，如果没有这种指导，“就好比几个人试图从房间的不同方向铺地砖，却不使用模板：他们最终会在中间相遇，但无法拼合在一起”，形成一个统一的晶体。

该公司表示，在制造出直径四英寸的金刚石圆盘后，他们采用专利技术将金刚石表面打磨得极其平整，确保整个晶圆表面上下方没有任何大于一个原子大小的缺陷。客户随后可以将这种平整的金刚石晶圆贴附到硅芯片的底部。

罗谢森先生说，钻石层“完全消除了芯片热点”，“它们彻底消失了”。

“这种方法可以大幅降低热阻，”麻省理工学院机械工程师伊芙琳·王说，但她指出，这项技术尚未得到商业验证。

Element Six是钻石公司戴比尔斯旗下的子公司，长期以来一直生产用于工业用途和冷却高功率无线电通信设备（包括通信卫星）芯片的钻石。如今，该公司正将用于冷却计算机芯片的钻石推向市场。

“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，”业务发展主管布鲁斯·博利格表示。

去年1月，该公司宣布推出一种新型材料，这是一种金刚石和铜的混合材料，旨在比纯铜更好地导热，同时价格又比金刚石更低。博利格先生表示：“铜-金刚石复合材料为高性能新型芯片提供了最佳的散热管理解决方案”，这可以提高芯片的运行速度，延长其使用寿命，并降低数据中心的冷却成本。

斯坦福大学的电气工程师斯拉班蒂·乔杜里正在利用钻石探索一种新型的、功能更强大的计算机芯片。

历史上，提高芯片速度的主要方法是缩小晶体管尺寸，并将更多晶体管密集地排列在平坦的硅晶圆上。但芯片制造商在晶体管尺寸的缩小方面正面临物理极限。研究人员尝试通过将晶体管层叠起来来解决这个问题，但多层堆叠会产生更多的热量。

乔杜里博士的研究团队试图利用由多个晶体组成的金刚石层来散热，这种金刚石层比单晶金刚石更容易制造。但他们遇到了障碍。通常情况下，多晶金刚石层的晶体是垂直排列的，水平方向的散热性能较差，而芯片由于扁平且宽大，水平散热至关重要。

此外，钻石通常在华氏1300度以上的温度下生长，但这对于作为芯片基底的硅来说温度过高。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，他们发现晶体难以正确形成。“任何喜欢在高温下生长的晶体，在低温下生长都会出现问题，”她说道。

这项研究的部分资金来自美国国防部高级研究计划局（DARPA），即美国国防部的研究机构。“将这种低温技术与其他散热方法相结合，可以解锁目前尚无法实现的计算能力，”佐治亚理工学院机械工程师、DARPA项目经理约根德拉·乔希（Yogendra Joshi）表示。

乔杜里博士表示，她和其他研究人员正试图解决一个既古老又新颖的挑战。“散热问题一直存在，但随着人工智能的真正发展，这个问题就像曲棍球棒一样呈指数级增长——我们看到这个问题变得非常严重，”她说。“我从未见过任何问题发展得如此迅速且如此重要。”

（来源：编译自zdnet ）

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