突破高性能计算瓶颈，斯坦福大学研发出钻石薄膜芯片散热技术

随着人工智能（AI） 与高性能计算（HPC） 的浪潮席卷全球，现代芯片的运算能力达到了前所未有的水准。然而，“性能越大，发热量越高” 的铁律，已成为电子产业持续发展中最棘手的挑战。

过度的热能使得系统不得不限制CPU 和GPU 的性能，以避免芯片老化。现在，一项来自斯坦福大学的突破性技术，也就是“低温多晶钻石薄膜”正以前所未有的方式，将热能进行具体散热管理。这项研究证明，将热导率极高的钻石整合到芯片内部，距离晶体管仅数纳米之遥，有望重新定义跨行业的热管理策略。

愈演愈烈的散热问题 

根据研究报告指出，微型化是推动科技进步的核心追求，但这场竞赛已经演变成对抗热能的战役。随着晶体管越塞越多，散热的空间日益减少。热量不再能快速扩散，反而集中形成“热点”，这些区域的温度可能比芯片其他部分高出数十度。这种极端高温会导致晶体管泄漏更多电流、浪费电力，并加速芯片老化。

而在高性能计算领域，处理器需要持续提高功率密度（例如，新款Nvidia GPU B300 服务器预计将消耗近15 千瓦的功率）。在通讯、功率电子等领域，也都面临热能限制。目前的冷却方案，如散热片、风扇、液体冷却（包括将服务器浸入专用的液体中散热） 等，虽然有所创新，但仍存在局限性。它们要么过于昂贵，只适用于最高性能的芯片，要么就是过于笨重。

更重要的是，随着业界转向3D 堆叠芯片架构（例如AMD 的MI300 系列和高带宽内存），传统的散热技术将远远不足。若无法从多层芯片中的每一层有效散热，堆叠式结构的3D 系统将难以维持其可行性。

钻石具备电绝缘、热传导透性成为理想介质

与其让热量积聚，不如从一开始就在芯片内部将其分散，就像将一杯沸水滴入游泳池一样。为了达成这一目标，还必须在不干扰晶体管精密属性的前提下，在IC 内部引入高导热材料。出乎意料的是，斯坦福大学的研究团队发现，钻石成为了这个理想的候选者。

▲低温下生长多晶钻石的能力为晶体管散热提供了一种新方法

因为钻石是地球上热导率最高的材料之一，效率比铜高出许多倍。同时钻石还是电绝缘体，其单晶钻石的热导率可达2,200 至2,400 瓦.米.开尔文，约为铜的六倍。即使是更容易制造的多晶钻石，其性能也能接近这些数值。由于钻石是电绝缘且介电常数相对较低，可充当“热介质”（thermal dielectric），使其在热传导的同时保持电绝缘性，不易造成信号衰减。

利用低温多晶钻石突破瓶颈

尽管钻石的性能极具吸引力，但长期以来，要将其整合到芯片中，一直是巨大的障碍。因为传统的钻石生长温度超过1,000 °C，会破坏集成电路的精密结构。因此，斯坦福佛大学团队在Srabanti Chowdhury 教授领导下，成功地克服了这一看似不可能的挑战。他们现在能够在足够低的温度下，直接在半导体器件上生长出适合散热的多晶钻石。这并非珠宝中常见的大型单晶钻石，而是厚度不超过几微米的多晶涂层。

▲在钻石和半导体的边界上，形成了一层薄薄的碳化硅，它充当了热量流入钻石的桥梁。

为了实现低温生长，研究团队找到了关键的化学配方，就是发现在传统的甲烷和氢气混合物中添加氧气，这有助于连续蚀刻掉非钻石的碳沉积物。之后，经过大量的实验，他们找到了一种配方，能够在400 °C 的温度下，针对器件生成大晶粒多晶钻石涂层。这个温度对于CMOS 电路和其他器件来说是可可以承受的。

意外发现碳化硅介面可克服声子瓶颈

尽管成功地在低温下生长了钻石涂层，但研究团队仍面临另一个关键挑战，那就是热边界阻力（Thermal Boundary Resistance, TBR），又称“声子瓶颈”（指声子在材料中的传播速度因晶格振动受限而减缓，导致材料热导率降低的现象）。声子是热能的量化包，它们会在不同材料的边界处堆积，阻碍热流，降低TBR，长期以来是热介面工程的目标。

▲氮化镓高电子迁移率晶体管是钻石冷却的理想测试案例

然而，研究团队在一次将钻石生长在以氮化硅覆盖的氮化镓（GaN）上时，研究人员意外地观察到实测的TBR 远低于预期。与德州大学达拉斯分校合作进行进一步的介面科学研究后，确认了碳化硅（Silicon Carbide, SiC）的形成是低TBR 的原因。而钻石与氮化硅介面处的混合导致了碳化硅的生成，它充当了声子的“桥梁”，从而落实了更高效的热传导。这个科学发现立即产生了技术影响，就是通过碳化硅介面，器件的热性能显著提升。

在氮化镓与3D CMOS 芯片的早期应用上展现潜力

该团队首先在氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMTs）中测试了这种低TBR 钻石涂层。 GaN HEMTs 是一种理想的测试案例，因为其关键发热部分（二维电子气体）非常接近器件表面。且早期结果令人振奋，包括在GaN 射频晶体管中，添加钻石后，器件温度下降了超过50 °C。在较低的温度下，这些晶体管放大X 波段无线电信号的能力比以前提高了五倍。

▲多晶钻石有助于降低3D芯片内部的温度。钻石散热孔会在微米级深的孔洞内生长，这样热量就可以从一个芯片垂直流向堆叠在其上方的另一个芯片上的钻石散热器。

另外，N 极GaN HEMT上，当钻石层完全围绕HEMT 时，通道温度显著下降了70 °C。这一突破可能为射频系统带来转型性的解决方案，使其能够以比以往更高的功率运行。这些结果使团队同时也将目光投向高功率CMOS 芯片。对于3D 堆叠芯片架构，他们提出了热骨架（Thermal Scaffolding）的概念。

在热骨架概念中，数纳米厚的多晶钻石层将被整合到晶体管上方的电介质层中以分散热量。这些层次随后通过垂直的热导体连接起来，这些称之为热柱的结构将热量从一个芯片传导到堆叠中的下一个芯片，直到热量到达散热片。经认证后，在一个双芯片堆叠结构中，使用钻石散热片和热柱架构，温度降低可以到没有热骨架的1/10。模拟显示，在超过五层的AI 加速器中，热骨架的作用至关重要，否则温度将远超典型限制。

产业协作与未来展望

这项研究已经引起了芯片产业的强烈兴趣，包括应用材料（Applied Materials）、三星和台积电等大厂都参与其中。另外，通过斯坦福SystemX 联盟和半导体研究公司（Semiconductor Research Corp.），还扩大了半导体产业竞争对手企业之间的合作。甚至，该团队也正与美国国防部高级研究计划局（DARPA）的Threads 计画携手，致力于利用器件级的热管理技术，开发功率密度比现今器件高6 至8 倍的高效可靠X 波段功率放大器。

虽然，仍有挑战需要克服，特别是如何使钻石涂层的顶部达到原子级平坦一事。但研究人员和他们的合作伙伴深信，这项研究提供了一条颠覆性的热管理新路径。未来，钻石散热技术将沿循同样的轨迹，成为使新一代电子产品不再受热能限制的关键推动力。这项研究若成功，将确保高性能运算能够持续发展，不再受制于热能的束缚。