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有望取代矽!「這2物」可能成未來最強晶片熱門材料

鑒於晶片發熱會限制電腦等裝置的效能,科學家正想辦法以一些令人意想不到的材料來解決散熱問題,例如合成鑽石、超純玻璃。美聯社
鑒於晶片發熱會限制電腦等裝置的效能,科學家正想辦法以一些令人意想不到的材料來解決散熱問題,例如合成鑽石、超純玻璃。美聯社

華爾街日報報導,鑒於晶片發熱會限制電腦等裝置的效能,科學家正想辦法以一些令人意想不到的材料來解決散熱問題,例如合成鑽石、超純玻璃。

對工程師來說,發熱是個常見的問題。愛迪生做出第一顆實用的電燈泡之所以成功,很大程度是因為他防止燈泡太快燒壞;傳統的汽油引擎需要機油和冷卻劑來防止故障;核反應爐以需要冷卻來避免熔毀而為人所知。

解決散熱問題

1982年共同創辦昇陽電腦、擔任過該公司首席硬體設計師的貝托爾斯海姆(Andy Bechtolsheim)說:「晶片效能的硬性限制,是晶片的最高溫度」。以矽製成的微晶片,運作溫度不能高於攝氏105度,否則就會不可靠。為了在不故障的情況下實現更快的運算速度,晶片開發者的目標是讓晶片盡可能散熱。

這對用來打造最先進人工智慧(AI)模型的資料中心來說,是個急需解決的問題。從當前AI模型升級成下一代模型,平均來說所需的運算能力就提高十倍。貝托爾斯海姆說,推進到下一代的技術,需窮盡各種方法,將晶片的基板改用鑽石,可能會有幫助。

那些為電動車打造功率轉換元件的業者,也面臨類似的挑戰,而這些元件日益由同種方式製成,使用的微晶片是同個類型的物質。這裡不僅要微縮電子元件,透過它們盡可能降低功率也一樣重要,這是鑽石特別能派得上用場的地方,因為要縮小電動車中極為重要的逆變器,取決於如何有效散發本身產生的熱量。

鑽石恆久遠

鑽石是人類已知的最好的熱導體,但目前還不能用鑽石製作微晶片,退而求其次就是先製造一般的微晶片,削掉部分的非活性矽(inactive silicon)後,再接上鑽石。

Diamond Foundry的工程師已打造出號稱全球最大的鑽石,至少在直徑上是如此。該公司正在運用去年收購德國公司Audiatec所取得的技術,做出全長4英吋、厚度不到3毫米的合成鑽石晶圓,可以搭配以矽製成的微晶片,使熱量能夠快速散發出去。該公司執行長羅謝森(Martin Roscheisen)說,這意味著晶片以至少兩倍的時脈速度運行,也不會故障。用這個方法搭配輝達(Nvidia)最強大的晶片,甚至可以在實驗室條件下,將速度提高到原有的三倍。

羅謝森說,他的公司正與多數晶片製造巨擘、多家國防承包商、以及電動車製造商,進行洽談,協助他們製作的晶片和電子元件運行更快、以及縮小體積,或兩者兼顧。在這背後的關鍵因素是,成本下降。做出這些鑽石晶圓的成本,和碳化矽晶圓差不多;後者常用於製作功率元件。

雖然Diamond Foundry宣稱是首家能打造單晶鑽石晶圓的公司,但還有一種鑽石更容易合成,即多晶鑽石。總部位於賓州的Coherent就是生產這類產品的公司。至於另一家公司Element Six提供更大的鑽石,可放在晶片和傳統散熱器之間。

超純玻璃

英特爾正致力於把微晶片置於玻璃材質上,這麼做的好處,包含當單一封裝的小晶片數量增加、基板尺寸變大時,仍有辦法維持整體晶片的完整性,防止彎曲,這是因為玻璃的硬度優於有機材質,且熱膨脹系數低。

英特爾院士馬內帕利(Rahul Manepalli)說,這些AI系統用的晶片,其耗電功率達到1,000瓦,相當於一個吹風機的功耗,卻來自一個約4英吋大、方形的晶片封裝。

讓這些超級耗電的晶片加上玻璃基板,有助帶來一些額外的結構性支撐,因為玻璃可以容納較高密度的新型晶片連結,使晶片可以在更少的功耗下、用更快的速度進行溝通。

馬內帕利說,英特爾將在2020年代後半推出晶片以玻璃為基板的先進封裝方案,如今已在實驗室展示這項技術的效率,

完全不用矽來製造晶片

貝托爾斯海姆說,有朝一日,電腦內部的微晶片可能是一個閃閃發光、不可思議的三明治結構,上層的玻璃用於快速通訊,中間3D堆疊的矽用以運算處理,底部的鑽石則用來帶走其所產生的熱量。

在更遙遠的未來,科學家和工程師預計有一天我們可能會選擇完全取代微晶片中的矽。另一種候選材料是砷化硼,研究人員近期證實,砷化硼是世上導熱能力第三好的材料。

鑽石和砷化硼之間有個很大的區別,鑽石是絕緣體(不導電),而砷化硼和矽一樣都是半導體,這意味著可以真的用來製造晶片。這樣的晶片將有前所未聞的特性,運行的速度可以快更多,因為有辦法更快散發在運行過程中產生的熱量。

這些晶片還有另一個不錯的特性:砷化硼晶體的電洞遷移率較高,這會使目前尚未廣泛使用的運算邏輯變得有可行性。

半導體 晶片 材料 鑽石

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