完全捨棄矽？鑽石、玻璃可能是未來最強晶片的熱門材料

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。