全球最大鑽石之一或成最快微芯片關鍵材料——《華爾街日報》

微芯片正變得炙手可熱——字面意義上的。隨着工程師將更多功能和更強性能塞入芯片，這些芯片需要更多能量，因此產生的熱量也遠超以往。

為突破限制計算機及其他設備性能的散熱瓶頸，硅谷正在探索一些出人意料的材料。大大小小的芯片公司正在試驗合成鑽石薄片、超純玻璃組件，甚至測試一種最近才實現足量合成的神秘材料特性。

散熱是困擾工程師的經典難題。托馬斯·愛迪生髮明的首盞實用電燈泡之所以成功，很大程度上歸功於他解決了燈泡快速燒燬的問題。傳統燃氣發動機需要機油和冷卻劑防止故障，而核反應堆必須冷卻以避免熔燬的常識更是廣為人知。

如果你用過老式筆記本電腦——那種放在腿上會發燙到令人不適的機型——你就深刻理解了制約計算機速度提升的核心障礙。

“芯片性能的硬性限制在於其最高工作温度，“1982年共同創立太陽微系統公司並擔任首席硬件設計師的安迪·貝托爾斯海姆指出。硅微芯片的工作温度不能超過約221華氏度（105攝氏度），否則將變得不可靠。為實現更高運算速度而不宕機，芯片開發者致力於儘可能快速散熱——即將熱量從源頭轉移。

散熱迫在眉睫

麻省理工學院納米工程實驗室主任陳剛表示，當今高性能微芯片每平方釐米功耗可達100瓦特。“芯片用於計算的能量最終都轉化為熱量，“他補充道，“這些熱量必須及時排出。”

在用於創建最新、最強大、最大規模人工智能模型的數據中心中，這是一個尤為嚴峻的問題。從一代模型到下一代，所需的計算能力平均增長10倍。要實現下一代模型，需要運用所有可能的技巧，而像鑽石這樣的替代芯片基底可能會有所幫助，Bechtolsheim説道。

電動汽車中製造功率轉換電子設備的製造商也面臨類似的挑戰——這些設備越來越多地採用與微芯片相同的製造方式，並使用相關材料。在這裏，問題不僅在於縮小這些電子設備的尺寸，還在於讓它們傳輸更多的電力。這是鑽石可以協助解決的另一個問題，因為縮小電動汽車中至關重要的功率逆變器的大小，依賴於更有效地散發其產生的熱量。

電動汽車配備有功率逆變器，利用合成鑽石的散熱能力可以使其變得更小。照片：鑽石鑄造廠### 世界上最大的鑽石之一

鑽石是人類已知的最好的熱導體。（一個很酷的小技巧：它的導熱性能如此之好，以至於你可以僅憑你傳導的體温來切割一塊冰。）但你還不能用它來製造微芯片——至少現在還不能。所以次優的選擇是製造一個常規的微芯片，削去芯片活性部分下方大部分不活躍的硅，然後將剩餘部分與一塊完美的鑽石單晶結合。

在硅谷設有實驗室、首座製造基地位於華盛頓州韋納奇市的Diamond Foundry公司，其工程師團隊成功研製出該公司宣稱的全球最大鑽石——至少從直徑而言。Diamond Foundry運用了2022年收購德國企業Augsburg Diamond Technology（亦稱Audiatec）時獲得的技術。這塊在反應堆中培育的合成鑽石晶圓直徑達四英寸（約10釐米），厚度不足3毫米，可與硅微芯片結合，使芯片產生的熱量迅速消散。目前該公司已生產數百片此類最大尺寸晶圓。公司CEO馬丁·羅沙森表示，這意味着芯片能以至少兩倍於額定時鐘速度運行而不失效。在對英偉達某款頂級芯片的測試中，工程師甚至在實驗室條件下實現了三倍常規速度的運行。

羅沙森透露，公司正與全球多數頂級芯片製造商、多家國防承包商及電動車製造商洽談合作，旨在幫助其微芯片與電子設備實現更高運行速度、更小體積封裝，或同時達成兩種目標。

這一切的關鍵在於人造鑽石合成成本的持續下降。羅沙森指出，此類鑽石晶圓的成本已接近常用於功率電子器件的碳化硅晶圓。

儘管Diamond Foundry宣稱率先實現單晶鑽石大尺寸晶圓量產，但市場上還存在更易合成的多晶鑽石。1971年成立於賓州薩克森堡、最初為激光器生產材料的Coherent公司便提供此類多晶晶圓。而隸屬戴比爾斯集團的合成鑽石公司Element Six等企業，則能提供可置於芯片與傳統散熱器之間的更大尺寸鑽石。

英國迪德科特Element Six實驗室內，員工們正在帶式壓機上製造合成鑽石。圖片來源：克里斯·拉特克利夫/彭博新聞### 超純玻璃基板

英特爾正致力於將微芯片置於玻璃基板上，此舉可能帶來多項優勢——包括隨着芯片尺寸增大及單個集成封裝中“小芯片"數量增加時，仍能保持日益龐大的"超級芯片"結構完整。

在此應用中，玻璃並非用於散熱，而是幫助微芯片在尺寸擴大、需承受更高功率輸入及熱量導出時保持結構穩定性。

“這些AI系統的單封裝發熱量正達到千瓦級”，致力於下一代芯片封裝技術的英特爾院士拉胡爾·馬內帕利表示。

這相當於一個約4平方英寸的芯片封裝釋放出與吹風機相當的功率。

玻璃基板的加入為這些耗電量巨大的巨型芯片提供了額外結構支撐。由於玻璃能容納更高密度的新型芯片間連接，使得芯片間能以更低功耗實現更高速通信。

馬內帕利透露，英特爾將在本世紀二十年代後半期推出玻璃基板微芯片，並已在實驗室驗證了該技術的有效性。

亞利桑那州錢德勒市英特爾工廠的一塊測試玻璃核心基板面板。圖片來源：英特爾### 徹底拋棄硅材料

科學家和工程師們預見，在更遙遠的未來，我們可能會選擇完全用其他材料替代微芯片中的硅。砷化硼是候選替代材料之一，包括陳剛在內的研究人員近期證實，其導熱能力位居全球第三。鑽石與砷化硼的一大區別在於，鑽石是絕緣體，而砷化硼與硅一樣屬於半導體。這意味着它可用於製造真正的微芯片。此類芯片將具備當前芯片無法企及的特性——由於能更快地排出運行過程中產生的熱量，其運行速度將大幅提升。

這類芯片還擁有另一誘人特性。砷化硼晶體擅長移動被稱為“空穴”的帶正電準粒子（可理解為材料中電子本應存在卻空缺的位置），這將使目前尚未廣泛使用的計算邏輯類型成為可能。

貝托爾斯海姆表示，未來某天，計算機內部的微芯片可能由一層閃閃發光且看似不可思議的“三明治”構成——頂部是用於快速通信的玻璃，中間是用於處理信息的三維堆疊硅層，底部則是負責導出所有熱量的鑽石晶圓。

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刊載於2023年11月4日印刷版，標題為《你下一台筆記本電腦的秘密成分可能是一顆巨型鑽石》。