隨著人工智能（AI） 與高性能計(jì)算（HPC） 的浪潮席卷全球，現(xiàn)代芯片的運(yùn)算能力達(dá)到了前所未有的水準(zhǔn)。然而，“性能越大，發(fā)熱量越高” 的鐵律，已成為電子產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展中最棘手的挑戰(zhàn)。

過(guò)度的熱能使得系統(tǒng)不得不限制CPU 和GPU 的性能，以避免芯片老化?，F(xiàn)在，一項(xiàng)來(lái)自斯坦福大學(xué)的突破性技術(shù)，也就是“低溫多晶鉆石薄膜”正以前所未有的方式，將熱能進(jìn)行具體散熱管理。這項(xiàng)研究證明，將熱導(dǎo)率極高的鉆石整合到芯片內(nèi)部，距離晶體管僅數(shù)納米之遙，有望重新定義跨行業(yè)的熱管理策略。

愈演愈烈的散熱問(wèn)題 

根據(jù)研究報(bào)告指出，微型化是推動(dòng)科技進(jìn)步的核心追求，但這場(chǎng)競(jìng)賽已經(jīng)演變成對(duì)抗熱能的戰(zhàn)役。隨著晶體管越塞越多，散熱的空間日益減少。熱量不再能快速擴(kuò)散，反而集中形成“熱點(diǎn)”，這些區(qū)域的溫度可能比芯片其他部分高出數(shù)十度。這種極端高溫會(huì)導(dǎo)致晶體管泄漏更多電流、浪費(fèi)電力，并加速芯片老化。

而在高性能計(jì)算領(lǐng)域，處理器需要持續(xù)提高功率密度（例如，新款Nvidia GPU B300 服務(wù)器預(yù)計(jì)將消耗近15 千瓦的功率）。在通訊、功率電子等領(lǐng)域，也都面臨熱能限制。目前的冷卻方案，如散熱片、風(fēng)扇、液體冷卻（包括將服務(wù)器浸入專用的液體中散熱） 等，雖然有所創(chuàng)新，但仍存在局限性。它們要么過(guò)于昂貴，只適用于最高性能的芯片，要么就是過(guò)于笨重。

更重要的是，隨著業(yè)界轉(zhuǎn)向3D 堆疊芯片架構(gòu)（例如AMD 的MI300 系列和高帶寬內(nèi)存），傳統(tǒng)的散熱技術(shù)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。若無(wú)法從多層芯片中的每一層有效散熱，堆疊式結(jié)構(gòu)的3D 系統(tǒng)將難以維持其可行性。

鉆石具備電絕緣、熱傳導(dǎo)透性成為理想介質(zhì)

與其讓熱量積聚，不如從一開始就在芯片內(nèi)部將其分散，就像將一杯沸水滴入游泳池一樣。為了達(dá)成這一目標(biāo)，還必須在不干擾晶體管精密屬性的前提下，在IC 內(nèi)部引入高導(dǎo)熱材料。出乎意料的是，斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，鉆石成為了這個(gè)理想的候選者。

▲低溫下生長(zhǎng)多晶鉆石的能力為晶體管散熱提供了一種新方法

因?yàn)殂@石是地球上熱導(dǎo)率最高的材料之一，效率比銅高出許多倍。同時(shí)鉆石還是電絕緣體，其單晶鉆石的熱導(dǎo)率可達(dá)2,200 至2,400 瓦.米.開爾文，約為銅的六倍。即使是更容易制造的多晶鉆石，其性能也能接近這些數(shù)值。由于鉆石是電絕緣且介電常數(shù)相對(duì)較低，可充當(dāng)“熱介質(zhì)”（thermal dielectric），使其在熱傳導(dǎo)的同時(shí)保持電絕緣性，不易造成信號(hào)衰減。

利用低溫多晶鉆石突破瓶頸

盡管鉆石的性能極具吸引力，但長(zhǎng)期以來(lái)，要將其整合到芯片中，一直是巨大的障礙。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的鉆石生長(zhǎng)溫度超過(guò)1,000 °C，會(huì)破壞集成電路的精密結(jié)構(gòu)。因此，斯坦福佛大學(xué)團(tuán)隊(duì)在Srabanti Chowdhury 教授領(lǐng)導(dǎo)下，成功地克服了這一看似不可能的挑戰(zhàn)。他們現(xiàn)在能夠在足夠低的溫度下，直接在半導(dǎo)體器件上生長(zhǎng)出適合散熱的多晶鉆石。這并非珠寶中常見的大型單晶鉆石，而是厚度不超過(guò)幾微米的多晶涂層。

▲在鉆石和半導(dǎo)體的邊界上，形成了一層薄薄的碳化硅，它充當(dāng)了熱量流入鉆石的橋梁。

為了實(shí)現(xiàn)低溫生長(zhǎng)，研究團(tuán)隊(duì)找到了關(guān)鍵的化學(xué)配方，就是發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)的甲烷和氫氣混合物中添加氧氣，這有助于連續(xù)蝕刻掉非鉆石的碳沉積物。之后，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，他們找到了一種配方，能夠在400 °C 的溫度下，針對(duì)器件生成大晶粒多晶鉆石涂層。這個(gè)溫度對(duì)于CMOS 電路和其他器件來(lái)說(shuō)是可可以承受的。

意外發(fā)現(xiàn)碳化硅介面可克服聲子瓶頸

盡管成功地在低溫下生長(zhǎng)了鉆石涂層，但研究團(tuán)隊(duì)仍面臨另一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，那就是熱邊界阻力（Thermal Boundary Resistance, TBR），又稱“聲子瓶頸”（指聲子在材料中的傳播速度因晶格振動(dòng)受限而減緩，導(dǎo)致材料熱導(dǎo)率降低的現(xiàn)象）。聲子是熱能的量化包，它們會(huì)在不同材料的邊界處堆積，阻礙熱流，降低TBR，長(zhǎng)期以來(lái)是熱介面工程的目標(biāo)。

▲氮化鎵高電子遷移率晶體管是鉆石冷卻的理想測(cè)試案例

然而，研究團(tuán)隊(duì)在一次將鉆石生長(zhǎng)在以氮化硅覆蓋的氮化鎵（GaN）上時(shí)，研究人員意外地觀察到實(shí)測(cè)的TBR 遠(yuǎn)低于預(yù)期。與德州大學(xué)達(dá)拉斯分校合作進(jìn)行進(jìn)一步的介面科學(xué)研究后，確認(rèn)了碳化硅（Silicon Carbide, SiC）的形成是低TBR 的原因。而鉆石與氮化硅介面處的混合導(dǎo)致了碳化硅的生成，它充當(dāng)了聲子的“橋梁”，從而落實(shí)了更高效的熱傳導(dǎo)。這個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)立即產(chǎn)生了技術(shù)影響，就是通過(guò)碳化硅介面，器件的熱性能顯著提升。

在氮化鎵與3D CMOS 芯片的早期應(yīng)用上展現(xiàn)潛力

該團(tuán)隊(duì)首先在氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMTs）中測(cè)試了這種低TBR 鉆石涂層。 GaN HEMTs 是一種理想的測(cè)試案例，因?yàn)槠潢P(guān)鍵發(fā)熱部分（二維電子氣體）非常接近器件表面。且早期結(jié)果令人振奮，包括在GaN 射頻晶體管中，添加鉆石后，器件溫度下降了超過(guò)50 °C。在較低的溫度下，這些晶體管放大X 波段無(wú)線電信號(hào)的能力比以前提高了五倍。

▲多晶鉆石有助于降低3D芯片內(nèi)部的溫度。鉆石散熱孔會(huì)在微米級(jí)深的孔洞內(nèi)生長(zhǎng)，這樣熱量就可以從一個(gè)芯片垂直流向堆疊在其上方的另一個(gè)芯片上的鉆石散熱器。

另外，N 極GaN HEMT上，當(dāng)鉆石層完全圍繞HEMT 時(shí)，通道溫度顯著下降了70 °C。這一突破可能為射頻系統(tǒng)帶來(lái)轉(zhuǎn)型性的解決方案，使其能夠以比以往更高的功率運(yùn)行。這些結(jié)果使團(tuán)隊(duì)同時(shí)也將目光投向高功率CMOS 芯片。對(duì)于3D 堆疊芯片架構(gòu)，他們提出了熱骨架（Thermal Scaffolding）的概念。

在熱骨架概念中，數(shù)納米厚的多晶鉆石層將被整合到晶體管上方的電介質(zhì)層中以分散熱量。這些層次隨后通過(guò)垂直的熱導(dǎo)體連接起來(lái)，這些稱之為熱柱的結(jié)構(gòu)將熱量從一個(gè)芯片傳導(dǎo)到堆疊中的下一個(gè)芯片，直到熱量到達(dá)散熱片。經(jīng)認(rèn)證后，在一個(gè)雙芯片堆疊結(jié)構(gòu)中，使用鉆石散熱片和熱柱架構(gòu)，溫度降低可以到?jīng)]有熱骨架的1/10。模擬顯示，在超過(guò)五層的AI 加速器中，熱骨架的作用至關(guān)重要，否則溫度將遠(yuǎn)超典型限制。

產(chǎn)業(yè)協(xié)作與未來(lái)展望

這項(xiàng)研究已經(jīng)引起了芯片產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)烈興趣，包括應(yīng)用材料（Applied Materials）、三星和臺(tái)積電等大廠都參與其中。另外，通過(guò)斯坦福SystemX 聯(lián)盟和半導(dǎo)體研究公司（Semiconductor Research Corp.），還擴(kuò)大了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手企業(yè)之間的合作。甚至，該團(tuán)隊(duì)也正與美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的Threads 計(jì)畫攜手，致力于利用器件級(jí)的熱管理技術(shù)，開發(fā)功率密度比現(xiàn)今器件高6 至8 倍的高效可靠X 波段功率放大器。

雖然，仍有挑戰(zhàn)需要克服，特別是如何使鉆石涂層的頂部達(dá)到原子級(jí)平坦一事。但研究人員和他們的合作伙伴深信，這項(xiàng)研究提供了一條顛覆性的熱管理新路徑。未來(lái)，鉆石散熱技術(shù)將沿循同樣的軌跡，成為使新一代電子產(chǎn)品不再受熱能限制的關(guān)鍵推動(dòng)力。這項(xiàng)研究若成功，將確保高性能運(yùn)算能夠持續(xù)發(fā)展，不再受制于熱能的束縛。