Микрочипы горячие. Ведь их работа с физической точки зрения – превратить электричество в тепло. Чипы настолько горячие, что плотность тепловыделения топового процессора находится на уровне тепловыделения Солнца. Чтобы чипы продолжали наращивать производительность, они должны становиться более горячими. А это значит, что нужна система, способная рассеивать такое большое количество тепла. И ответом могут стать бриллианты.

«Жесткое ограничение на производительность микросхемы – это максимальная температура на микросхеме», – говорит Энди Бехтольшайм, соучредитель Sun Microsystems в 1982 году и главный разработчик аппаратного обеспечения компании. Кремниевые микрочипы не могут работать при температуре выше 105 градусов по Цельсию, иначе они становятся ненадежными.

Чтобы достичь более высокой скорости без поломки чипа, разработчики стремятся как можно быстрее отводить выделенное чипом тепло, не допуская перегрева.

Крупные и малые компании, занимающиеся изготовлением чипов, экспериментируют с кусочками синтетического алмаза, кусочками сверхчистого стекла или даже непонятного материала, недавно синтезированного в количествах, достаточных для проверки его свойств.

Современные высокопроизводительные микросхемы могут потреблять около 100 Вт электроэнергии на квадратный сантиметр, говорит Ган Чен, директор лаборатории нанотехники в Массачусетском технологическом институте. Энергия, используемая чипами для вычислений, в конечном итоге превращается в тепло, «и это тепло должно получиться», добавляет он.

Особо остро эта проблема стоит в дата-центрах, которые используются для создания новейших и крупнейших моделей искусственного интеллекта. Для перехода от одного поколения этих моделей к следующему необходимая вычислительная мощность возрастала в среднем в 10 раз. Чтобы добраться до следующего поколения, понадобятся все трюки, которые могут помочь, говорит Бехтольшайм.

Подобные проблемы стоят перед теми, кто создает силовую электронику, например, для электромобилей. Здесь вопрос заключается как в уменьшении размера этой электроники, так и в том, чтобы протолкнуть через нее еще больше энергии. Это еще один пример, в чем алмаз может помочь, поскольку уменьшение чрезвычайно важного инвертора в электромобиле зависит от более эффективного рассеивания генерируемого им тепла.

Почему алмаз может спасти электронику?

Алмаз – лучший проводник тепла, известный человечеству. Он так хорош, что вы можете использовать его, чтобы расплавить кусок льда, передавая через него тепло своей руки.

Если сделать обычный микрочип, сбрить большую часть неактивного кремния и соединить оставшееся в единственный идеальный кристалл алмаза, образуется эффективная вещь для передачи тепла.

Компания Diamond Foundry имеет лабораторию в Кремниевой долине и первое производственное предприятие в Венатче, штат Вашингтон. Diamond Foundry использует технологии, приобретенные в 2022 году, когда купила немецкую компанию Augsburg Diamond Technology, также известную как Audiatec.

Инженеры компании создали, как утверждает компания, самый большой в мире алмаз – по крайней мере, по диаметру. Синтетическая алмазная пластина толщиной менее 3 миллиметров, диаметром более 10 см, выращенная в реакторе, может быть соединена с кремниевыми микрочипами, что позволяет быстро рассеивать тепло, производимое чипами.

Это означает, что чипы могут без сбоев работать, по крайней мере, вдвое быстрее, чем их номинальная тактовая частота, говорит Мартин Рошайзен, исполнительный директор компании. Инженерам Diamond Foundry даже удалось утроить в лабораторных условиях обычную скорость одного из мощнейших чипов NVIDIA.

Рошайзен говорит, что компания ведет переговоры с большинством крупных мировых производителей чипов, а также с рядом оборонных подрядчиков и производителей электромобилей.

Ключевым фактором всего этого является снижение стоимости синтеза этих алмазов. Эти пластины похожи по цене на пластины, сделанные из карбида кремния, часто используемого в силовой электронике, говорит Рошайзен.

В то время как Diamond Foundry утверждает, что первой создала большие пластины из монокристаллических алмазов, существует другой тип алмаза, более легкий для синтеза, который называется поликристаллическим.

Компания Coherent, основанная в Саксонбурге, Пенсильвания в 1971 году для создания материалов для лазеров, предлагает поликристаллические пластины такого типа. Другие компании, такие как компания по производству синтетических алмазов Element Six, входящая в группу De Beers, предлагают даже большие алмазы, которые можно разместить между микросхемами и традиционными радиаторами.

Как еще хотят повысить производительность процессоров

Традиционная кремниевая электроника исчерпала свои способности развития. Индустрия находится в поиске способов выжать еще несколько процентов дополнительной производительности из традиционных кремниевых технологий или перейти на что-нибудь новое, полностью отказавшись от кремния.

Сверхчистое стекло

Intel также ищет новые более эффективные способы упаковки процессоров и работает над размещением микрочипов на стеклянной подложке, что может иметь ряд преимуществ, в частности, возможность сохранять все большие «мегачипы» неприкосновенными, поскольку их размер растет, а количество чиплетов в одном интегрированном пакете увеличивается.

В этом контексте стекло не способствует рассеиванию тепла, но оно помогает микрочипу оставаться невредимым, поскольку он увеличивается в размерах и вынужден справляться с большей прокачиваемой через него мощностью и отводимым от него теплом.

«Эти системы искусственного интеллекта потребляют киловатт тепла на пакет», — говорит Рахул Манепалли, сотрудник Intel, работающий над технологиями упаковки микросхем нового поколения.

Добавление стеклянного основания создает дополнительную структурную поддержку этим гигантским, энергоемким чипам. И поскольку стекло может вместить большую плотность новых типов соединений между микросхемами, оно может позволить им общаться друг с другом на гораздо более высоких скоростях, не потребляя столько энергии.

Intel поставит микрочипы на стеклянных подложках ко второй половине этого десятилетия, говорит Манепалли. Компания уже продемонстрировала эффективность технологии в лаборатории.

Полный отказ от кремния

Еще дальше в будущем ученые и инженеры предсказывают день, когда мы сможем полностью заменить кремний в микросхемах. Одним из альтернативных кандидатов является арсенид бора, исследователи, включая Чена, недавно подтвердили, что он является третьим лучшим материалом в мире по способности пропускать тепло.

Одним большим отличием между алмазом и арсенидом бора является то, что хотя алмаз является изолятором, арсенид бора является полупроводником, как кремний. Это означает, что его можно использовать для производства настоящих микрочипов. Такие чипы обладали бы свойствами, неслыханными в современных чипах, в том, что они могли бы работать намного, гораздо быстрее, поскольку они могли бы гораздо быстрее отводить выделяемое в процессе тепло.

Эти чипы обладали бы еще одним привлекательным свойством. Кристаллы арсенида бора хорошо двигаются вокруг положительно заряженных квазичастиц, известных как «дыры». Это сделает возможными виды вычислительной логики, которые сегодня широко не используются.

По материалам: Wall Street Journal