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

過度的熱能使得系統(tǒng)不得不限制CPU 和GPU 的性能，以避免芯片老化。現(xiàn)在，一項來自斯坦福大學的突破性技術，也就是“低溫多晶鉆石薄膜”正以前所未有的方式，將熱能進行具體散熱管理。這項研究證明，將熱導率極高的鉆石整合到芯片內部，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。

愈演愈烈的散熱問題 

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

而在高性能計算領域，處理器需要持續(xù)提高功率密度（例如，新款Nvidia GPU B300 服務器預計將消耗近15 千瓦的功率）。在通訊、功率電子等領域，也都面臨熱能限制。目前的冷卻方案，如散熱片、風扇、液體冷卻（包括將服務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。它們要么過于昂貴，只適用于最高性能的芯片，要么就是過于笨重。

更重要的是，隨著業(yè)界轉向3D 堆疊芯片架構（例如AMD 的MI300 系列和高帶寬內存），傳統(tǒng)的散熱技術將遠遠不足。若無法從多層芯片中的每一層有效散熱，堆疊式結構的3D 系統(tǒng)將難以維持其可行性。

鉆石具備電絕緣、熱傳導透性成為理想介質

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

▲低溫下生長多晶鉆石的能力為晶體管散熱提供了一種新方法

因為鉆石是地球上熱導率最高的材料之一，效率比銅高出許多倍。同時鉆石還是電絕緣體，其單晶鉆石的熱導率可達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)相對較低，可充當“熱介質”（thermal dielectric），使其在熱傳導的同時保持電絕緣性，不易造成信號衰減。

利用低溫多晶鉆石突破瓶頸

盡管鉆石的性能極具吸引力，但長期以來，要將其整合到芯片中，一直是巨大的障礙。因為傳統(tǒng)的鉆石生長溫度超過1,000 °C，會破壞集成電路的精密結構。因此，斯坦福佛大學團隊在Srabanti Chowdhury 教授領導下，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，直接在半導體器件上生長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，而是厚度不超過幾微米的多晶涂層。

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

為了實現(xiàn)低溫生長，研究團隊找到了關鍵的化學配方，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，經過大量的實驗，他們找到了一種配方，能夠在400 °C 的溫度下，針對器件生成大晶粒多晶鉆石涂層。這個溫度對于CMOS 電路和其他器件來說是可可以承受的。

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了鉆石涂層，但研究團隊仍面臨另一個關鍵挑戰(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受限而減緩，導致材料熱導率降低的現(xiàn)象）。聲子是熱能的量化包，它們會在不同材料的邊界處堆積，阻礙熱流，降低TBR，長期以來是熱介面工程的目標。

▲氮化鎵高電子遷移率晶體管是鉆石冷卻的理想測試案例

然而，研究團隊在一次將鉆石生長在以氮化硅覆蓋的氮化鎵（GaN）上時，研究人員意外地觀察到實測的TBR 遠低于預期。與德州大學達拉斯分校合作進行進一步的介面科學研究后，確認了碳化硅（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致了碳化硅的生成，它充當了聲子的“橋梁”，從而落實了更高效的熱傳導。這個科學發(fā)現(xiàn)立即產生了技術影響，就是通過碳化硅介面，器件的熱性能顯著提升。

在氮化鎵與3D CMOS 芯片的早期應用上展現(xiàn)潛力

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

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

另外，N 極GaN HEMT上，當鉆石層完全圍繞HEMT 時，通道溫度顯著下降了70 °C。這一突破可能為射頻系統(tǒng)帶來轉型性的解決方案，使其能夠以比以往更高的功率運行。這些結果使團隊同時也將目光投向高功率CMOS 芯片。對于3D 堆疊芯片架構，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層中以分散熱量。這些層次隨后通過垂直的熱導體連接起來，這些稱之為熱柱的結構將熱量從一個芯片傳導到堆疊中的下一個芯片，直到熱量到達散熱片。經認證后，在一個雙芯片堆疊結構中，使用鉆石散熱片和熱柱架構，溫度降低可以到沒有熱骨架的1/10。模擬顯示，在超過五層的AI 加速器中，熱骨架的作用至關重要，否則溫度將遠超典型限制。

產業(yè)協(xié)作與未來展望

這項研究已經引起了芯片產業(yè)的強烈興趣，包括應用材料（Applied Materials）、三星和臺積電等大廠都參與其中。另外，通過斯坦福SystemX 聯(lián)盟和半導體研究公司（Semiconductor Research Corp.），還擴大了半導體產業(yè)競爭對手企業(yè)之間的合作。甚至，該團隊也正與美國國防部高級研究計劃局（DARPA）的Threads 計畫攜手，致力于利用器件級的熱管理技術，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到原子級平坦一事。但研究人員和他們的合作伙伴深信，這項研究提供了一條顛覆性的熱管理新路徑。未來，鉆石散熱技術將沿循同樣的軌跡，成為使新一代電子產品不再受熱能限制的關鍵推動力。這項研究若成功，將確保高性能運算能夠持續(xù)發(fā)展，不再受制于熱能的束縛。