全球最大钻石之一或成最快微芯片关键材料——《华尔街日报》

微芯片正变得炙手可热——字面意义上的。随着工程师将更多功能和更强性能塞入芯片，这些芯片需要更多能量，因此产生的热量也远超以往。

为突破限制计算机及其他设备性能的散热瓶颈，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试验合成钻石薄片、超纯玻璃组件，甚至测试一种最近才实现足量合成的神秘材料特性。

散热是困扰工程师的经典难题。托马斯·爱迪生发明的首盏实用电灯泡之所以成功，很大程度上归功于他解决了灯泡快速烧毁的问题。传统燃气发动机需要机油和冷却剂防止故障，而核反应堆必须冷却以避免熔毁的常识更是广为人知。

如果你用过老式笔记本电脑——那种放在腿上会发烫到令人不适的机型——你就深刻理解了制约计算机速度提升的核心障碍。

“芯片性能的硬性限制在于其最高工作温度，“1982年共同创立太阳微系统公司并担任首席硬件设计师的安迪·贝托尔斯海姆指出。硅微芯片的工作温度不能超过约221华氏度（105摄氏度），否则将变得不可靠。为实现更高运算速度而不宕机，芯片开发者致力于尽可能快速散热——即将热量从源头转移。

散热迫在眉睫

麻省理工学院纳米工程实验室主任陈刚表示，当今高性能微芯片每平方厘米功耗可达100瓦特。“芯片用于计算的能量最终都转化为热量，“他补充道，“这些热量必须及时排出。”

在用于创建最新、最强大、最大规模人工智能模型的数据中心中，这是一个尤为严峻的问题。从一代模型到下一代，所需的计算能力平均增长10倍。要实现下一代模型，需要运用所有可能的技巧，而像钻石这样的替代芯片基底可能会有所帮助，Bechtolsheim说道。

电动汽车中制造功率转换电子设备的制造商也面临类似的挑战——这些设备越来越多地采用与微芯片相同的制造方式，并使用相关材料。在这里，问题不仅在于缩小这些电子设备的尺寸，还在于让它们传输更多的电力。这是钻石可以协助解决的另一个问题，因为缩小电动汽车中至关重要的功率逆变器的大小，依赖于更有效地散发其产生的热量。

电动汽车配备有功率逆变器，利用合成钻石的散热能力可以使其变得更小。照片：钻石铸造厂### 世界上最大的钻石之一

钻石是人类已知的最好的热导体。（一个很酷的小技巧：它的导热性能如此之好，以至于你可以仅凭你传导的体温来切割一块冰。）但你还不能用它来制造微芯片——至少现在还不能。所以次优的选择是制造一个常规的微芯片，削去芯片活性部分下方大部分不活跃的硅，然后将剩余部分与一块完美的钻石单晶结合。

在硅谷设有实验室、首座制造基地位于华盛顿州韦纳奇市的Diamond Foundry公司，其工程师团队成功研制出该公司宣称的全球最大钻石——至少从直径而言。Diamond Foundry运用了2022年收购德国企业Augsburg Diamond Technology（亦称Audiatec）时获得的技术。这块在反应堆中培育的合成钻石晶圆直径达四英寸（约10厘米），厚度不足3毫米，可与硅微芯片结合，使芯片产生的热量迅速消散。目前该公司已生产数百片此类最大尺寸晶圆。公司CEO马丁·罗沙森表示，这意味着芯片能以至少两倍于额定时钟速度运行而不失效。在对英伟达某款顶级芯片的测试中，工程师甚至在实验室条件下实现了三倍常规速度的运行。

罗沙森透露，公司正与全球多数顶级芯片制造商、多家国防承包商及电动车制造商洽谈合作，旨在帮助其微芯片与电子设备实现更高运行速度、更小体积封装，或同时达成两种目标。

这一切的关键在于人造钻石合成成本的持续下降。罗沙森指出，此类钻石晶圆的成本已接近常用于功率电子器件的碳化硅晶圆。

尽管Diamond Foundry宣称率先实现单晶钻石大尺寸晶圆量产，但市场上还存在更易合成的多晶钻石。1971年成立于宾州萨克森堡、最初为激光器生产材料的Coherent公司便提供此类多晶晶圆。而隶属戴比尔斯集团的合成钻石公司Element Six等企业，则能提供可置于芯片与传统散热器之间的更大尺寸钻石。

英国迪德科特Element Six实验室内，员工们正在带式压机上制造合成钻石。图片来源：克里斯·拉特克利夫/彭博新闻### 超纯玻璃基板

英特尔正致力于将微芯片置于玻璃基板上，此举可能带来多项优势——包括随着芯片尺寸增大及单个集成封装中“小芯片"数量增加时，仍能保持日益庞大的"超级芯片"结构完整。

在此应用中，玻璃并非用于散热，而是帮助微芯片在尺寸扩大、需承受更高功率输入及热量导出时保持结构稳定性。

“这些AI系统的单封装发热量正达到千瓦级”，致力于下一代芯片封装技术的英特尔院士拉胡尔·马内帕利表示。

这相当于一个约4平方英寸的芯片封装释放出与吹风机相当的功率。

玻璃基板的加入为这些耗电量巨大的巨型芯片提供了额外结构支撑。由于玻璃能容纳更高密度的新型芯片间连接，使得芯片间能以更低功耗实现更高速通信。

马内帕利透露，英特尔将在本世纪二十年代后半期推出玻璃基板微芯片，并已在实验室验证了该技术的有效性。

亚利桑那州钱德勒市英特尔工厂的一块测试玻璃核心基板面板。图片来源：英特尔### 彻底抛弃硅材料

科学家和工程师们预见，在更遥远的未来，我们可能会选择完全用其他材料替代微芯片中的硅。砷化硼是候选替代材料之一，包括陈刚在内的研究人员近期证实，其导热能力位居全球第三。钻石与砷化硼的一大区别在于，钻石是绝缘体，而砷化硼与硅一样属于半导体。这意味着它可用于制造真正的微芯片。此类芯片将具备当前芯片无法企及的特性——由于能更快地排出运行过程中产生的热量，其运行速度将大幅提升。

这类芯片还拥有另一诱人特性。砷化硼晶体擅长移动被称为“空穴”的带正电准粒子（可理解为材料中电子本应存在却空缺的位置），这将使目前尚未广泛使用的计算逻辑类型成为可能。

贝托尔斯海姆表示，未来某天，计算机内部的微芯片可能由一层闪闪发光且看似不可思议的“三明治”构成——顶部是用于快速通信的玻璃，中间是用于处理信息的三维堆叠硅层，底部则是负责导出所有热量的钻石晶圆。

欲了解更多《华尔街日报》科技分析、评论、建议及头条新闻，请订阅我们的每周通讯。

刊载于2023年11月4日印刷版，标题为《你下一台笔记本电脑的秘密成分可能是一颗巨型钻石》。