Мікрочипи гарячі. Адже їхня робота з фізичної точки зору – перетворити електрику в тепло. Чипи настільки гарячі, що щільність тепловиділення топового процесора знаходиться на рівні тепловиділення поверхні Сонця. Щоб чипи і далі нарощували продуктивність, вони мають ставати більш гарячими. А це значить, що потрібна система, яка здатна розсіювати таку велику кількість тепла. І відповіддю можуть стати діаманти.
«Жорстке обмеження на продуктивність мікросхеми — це максимальна температура на мікросхемі», — каже Енді Бехтольшайм , співзасновник Sun Microsystems у 1982 році та головний розробник апаратного забезпечення компанії. Кремнієві мікрочипи не можуть працювати при температурі вище 105 градусів за Цельсієм, інакше вони стають ненадійними.
Щоб досягти вищої швидкості без поломки чипа, розробники прагнуть якнайшвидше відводити виділене чипом тепло, не допускаючи перегріву.
Великі й малі компанії, що займаються виготовленням чипів, експериментують із шматочками синтетичного алмазу, шматочками надчистого скла чи навіть незрозумілого матеріалу, який нещодавно був синтезований у кількостях, достатніх для перевірки його властивостей.
Сучасні високопродуктивні мікросхеми можуть споживати близько 100 Вт електроенергії на квадратний сантиметр, каже Ган Чен, директор лабораторії нанотехніки в Массачусетському технологічному інституті. Енергія, яку чипи використовують для обчислень, зрештою перетворюється на тепло, «і це тепло має вийти», додає він.
Особливо гостро ця проблема стоїть у дата-центрах, які використовуються для створення новітніх і найбільших моделей штучного інтелекту. Для переходу від одного покоління цих моделей до наступного необхідна обчислювальна потужність зростала в середньому в 10 разів. Щоб дістатися до наступного покоління, знадобляться всі трюки, які можуть допомогти, каже Бехтольшайм.
Подібні проблеми постають перед тими, хто створює силову електроніку, наприклад, для електромобілів. Тут питання полягає як у зменшенні розміру цієї електроніки, так і в тому, щоб протиснути через неї ще більше енергії. Це ще один приклад, у чому алмаз може допомогти, оскільки зменшення надзвичайно важливого інвертора в електромобілі залежить від більш ефективного розсіювання тепла, яке він генерує.
Чому алмаз може врятувати електроніку?
Алмаз – найкращий провідник тепла, відомий людству. Він настільки хороший, що ви можете використовувати його, щоб розплавити шматок льоду, передаючи через нього тепло своєї руки.
Якщо зробити звичайний мікрочіп, збрити більшу частину неактивного кремнію і з’єднати те, що залишилося, в єдиний ідеальний кристал алмазу, утвориться ефективна річ для передачі тепла.
У компанії Diamond Foundry, яка має лабораторію в Кремнієвій долині та перше виробниче підприємство у Венатчі, штат Вашингтон. Diamond Foundry використовує технології, придбані в 2022 році, коли купила німецьку компанію Augsburg Diamond Technology, також відому як Audiatec.
Інженери компанії створили, як стверджує компанія, найбільший у світі алмаз – принаймні за діаметром. Синтетична алмазна пластина товщиною менше 3 міліметрів, діаметром понад 10 см, вирощена в реакторі, може бути з’єднана з кремнієвими мікрочипами, що дозволяє швидко розсіювати тепло, яке виробляють чипи.
Це означає, що чіпи можуть без збоїв працювати принаймні вдвічі швидше, ніж їхня номінальна тактова частота, каже Мартін Рошайзен, виконавчий директор компанії. Інженерам Diamond Foundry навіть вдалося потроїти у лабораторних умовах звичайну швидкість одного з найпотужніших чипів NVIDIA.
Рошайзен каже, що його компанія веде переговори з більшістю великих світових виробників чіпів, а також з низкою оборонних підрядників і виробників електромобілів.
Ключовим фактором усього цього є падіння вартості синтезу цих алмазів. Ці пластини схожі за ціною на пластини, зроблені з карбіду кремнію, який часто використовується в силовій електроніці, каже Рошайзен.
У той час як Diamond Foundry стверджує, що першим створила великі пластини з монокристалічних алмазів, існує інший тип алмазу, легший для синтезу, який називається полікристалічним.
Компанія Coherent, заснована в Саксонбурзі, Пенсільванія в 1971 році для створення матеріалів для лазерів, пропонує полікристалічні пластини такого типу. Інші компанії, як-от компанія з виробництва синтетичних алмазів Element Six, що входить до групи De Beers, пропонують навіть більші алмази, які можна розмістити між мікросхемами та традиційними радіаторами.
Як ще хочуть підвищити продуктивність процесорів
Традиційна кремнієва електроніка вичерпала свої можливості розвитку. Індустрія перебуває в пошуку способів вичавити ще кілька відсотків додаткової продуктивності із традиційних кремнієвих технологій або перейти на щось нове, повністю відмовившись від кремнію.
Надчисте скло
Intel також шукає нові ефективніші способи упаковки процесорів і працює над розміщенням мікрочипів на скляній підкладці, що може мати низку переваг, зокрема можливість зберігати все більші «мегачипи» недоторканими, оскільки їхній розмір зростає, а кількість чиплетів в одному інтегрованому пакеті збільшується.
У цьому контексті скло не сприяє розсіюванню тепла, але воно допомагає мікрочипу залишатися неушкодженим, оскільки він збільшується в розмірах і змушений справлятися з більшою потужністю, що прокачується через нього – і теплом, що відводиться від нього.
«Ці системи штучного інтелекту споживають кіловат тепла на пакет», — говорить Рахул Манепаллі, співробітник Intel, який працює над технологіями упаковки мікросхем нового покоління.
Додавання скляної основи створює додаткову структурну підтримку цим гігантським, енергоємним чипам. І оскільки скло може вмістити більшу щільність нових типів з’єднань між мікросхемами, воно може дозволити їм спілкуватися один з одним на набагато вищих швидкостях, не споживаючи стільки енергії.
Intel поставить мікрочипи на скляних підкладках до другої половини цього десятиліття, каже Манепаллі. Компанія вже продемонструвала ефективність технології в лабораторії.
Повна відмова від кремнію
Набагато далі в майбутньому вчені та інженери передбачають день, коли ми зможемо повністю замінити кремній у мікросхемах. Одним з альтернативних кандидатів є арсенід бору, який дослідники, включаючи Чена, нещодавно підтвердили, що він є третім найкращим матеріалом у світі за здатністю пропускати тепло.
Однією великою відмінністю між алмазом і арсенідом бору є те, що хоча алмаз є ізолятором, арсенід бору є напівпровідником, як кремній. Це означає, що його можна використовувати для виготовлення справжніх мікрочипів. Такі чипи мали б властивості, нечувані в сучасних чипах, у тому, що вони могли б працювати набагато, набагато швидше, оскільки вони могли б набагато швидше відводити тепло, яке виділяється в процесі.
Ці чипи мали б ще одну привабливу властивість. Кристали арсеніду бору добре рухаються навколо позитивно заряджених квазічастинок, відомих як «дірки». Це зробить можливими види обчислювальної логіки, які сьогодні не використовуються широко.
За матеріалами: Wall Street Journal
