人造金刚石融入芯片，破解 AI 计算 “过热难题”

发布时间：2025-10-17 11:27:01 | 浏览量： 13次

当前，科技企业为承载新一代人工智能（AI）模型，正加速布局数据中心建设，这一过程中电能消耗呈快速增长态势。然而，这些电能并未完全投入计算工作，多数能量都转化为无用热量，从芯片上数以万计的晶体管中散发出来。这种情况不仅造成大量能源浪费，还会显著降低芯片的运行效率、缩短其使用寿命，给数据中心的稳定运营带来严峻考验。

热管理的困境与创新方案

Diamond Foundry 的电气工程师 R. Martin Roscheisen 透露，芯片领域存在一个较少被提及的问题：超过一半的能量以晶体管泄漏电流的形式浪费掉。为了应对这一问题，Roscheisen 与其他工程师团队正探索一项创新技术 —— 将微小的合成金刚石颗粒嵌入芯片内部，以此强化散热效果。金刚石不仅是已知最硬的材料，它的导热性能也异常出色。布里斯托大学物理化学家Paul May指出，金刚石的导热能力比铜强几倍，而铜通常用作芯片散热器的材料。




金刚石之所以具备出色的导热性，核主要得益于其原子结构：每个碳原子与四个邻近的碳原子紧密结合，形成坚固的晶格结构，这种强力的键使得热量能够有效地通过晶体传递。实际上，许多高端电子产品已经开始采用金刚石热扩散器，未来PC和智能手机的处理器也可能会配备这种散热技术。



为推动该技术落地商用，Roscheisen 所在的公司正全力研发单晶金刚石层，并将其贴合在硅基芯片的底部。相较于多晶金刚石层，单晶金刚石层的导热效率更高，但生产工艺更复杂、成本也更高。与此同时，隶属于戴比尔斯集团（De Beers）的 Element Six 公司，也将金刚石应用于计算机芯片散热领域。该公司近年推出了一款创新的铜 - 金刚石复合材料，其导热性能不仅优于纯铜，成本还比纯金刚石更低。Element Six 业务发展负责人 Bruce Bolliger 指出，这种复合材料能提供最优的热管理方案，有助于提升芯片的性能并延长其使用寿命。

多晶金刚石与芯片性能的突破探索

斯坦福大学电气工程师 Srabanti Chowdhury 同样在借助金刚石技术，研发更高效的计算机芯片。传统提升芯片运算速度的思路是缩小晶体管尺寸，并在硅片上集成更多晶体管，但随着物理极限逐渐逼近，这种方法已陷入瓶颈。为突破这一限制，Chowdhury 团队尝试用多晶金刚石层实现热量转移。与单晶金刚石相比，多晶金刚石的制造难度更低，但在水平方向的导热性能较弱，这使其在大规模芯片应用中面临一定阻碍。




此外，金刚石通常需要在超过1300华氏度的高温下生长，这对硅基芯片来说温度过高，因此团队尝试在较低温度下沉积金刚石，但低温环境下晶体的形成又会面临新的技术难题。尽管挑战重重，Chowdhury 博士及其团队仍在不断攻克难关，推动该技术向实用化迈进。这项研究还获得了美国国防部高级研究计划局（DARPA）的资助，足见其技术潜力与战略价值。

该领域的技术突破对提升计算能力意义重大。DARPA 项目经理 Yogendra Joshi 认为，若能将低温技术与其他散热手段相结合，或许能释放当前难以达成的计算潜能。Chowdhury 博士也强调，在 AI 技术高速发展的背景下，热管理问题的解决已迫在眉睫：“随着人工智能的迅猛推进，热量问题正以‘曲棍球棒式’的增速恶化，其重要性已达到前所未有的高度。”

国内企业的技术布局与行业贡献

金刚石散热技术的成熟，离不开核心设备的研发与产业化支撑。在这一领域，国内企业碳方程半导体设备制造山西有限公司正展现出强劲的技术实力。该公司专注于第三、四代半导体材料专用设备的研发与制造，核心业务聚焦于金刚石半导体材料所需的 MPCVD 长晶设备，而这类设备正是合成高质量金刚石材料的关键基础。




为推动金刚石技术在芯片散热等领域的应用，碳方程半导体持续完善金刚石大尺寸材料的加工工艺及配套设备，目标是实现核心设备的自主化与产业化，为整个行业发展注入动力。截至目前，公司已成功研发出 6KW、10KW、15KW、915MHZ 等多个规格的 MPCVD 长晶设备，并大批量应用于金刚石行业，为下游企业提供了稳定、高效的生产工具。同时，公司并未停下技术创新的脚步，仍在持续深耕迭代，致力于研发更卓越、更具竞争力的高端设备，助力国内金刚石材料及半导体热管理产业突破技术瓶颈。



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