史丹佛大學鑽石薄膜散熱研究有成，推動高性能運算邁向新紀元

人工智慧（AI）與高性能運算（HPC）浪潮席捲全球，現代晶片算力達前所未有水準。然「能力越大，熱能越高」鐵律，成為電子產業最棘手的挑戰。

過熱使系統不得不限制 CPU 和 GPU 性能，避免晶片老化。史丹佛大學突破性技術，也就是「低溫多晶鑽石薄膜」以前所未有方式推動散熱管理。將熱導率極高的鑽石整合至積體電路（IC）後，有望重新定義熱管理策略。

科技發展的瓶頸來自愈演愈烈的熱能危機

研究指出，微型化是推動科技進步的核心追求，但這場競賽已經演變成對抗熱能的戰役。晶片上電晶體越塞越多，散熱空間日益減少。熱量不再能快速擴散，集中形成「熱點」，溫度可能比其他部分高數十度。極端高溫會導致電晶體洩漏更多電流、浪費電力，加速晶片老化。

高性能運算領域，處理器需持續提高功率（Nvidia GPU B300 伺服器將消耗近 15 千瓦功率）。通訊、功率電子等也都面臨熱能限制。目前冷卻方案如散熱片、風扇、液體冷卻（將伺服器浸入介電液體中）等，雖然有用但仍有局限，不是成本昂貴，只適用最高性能晶片，就是太笨重。

更重要的是，業界轉向 3D 堆疊晶片（AMD MI300 系列和高頻寬記憶體），傳統散熱遠遠不足。若多層晶片無法每層都有效散熱，堆疊式 3D 系統將難以維持。

鑽石具備電絕緣、熱傳導透性成為理想介質

與其讓熱量積聚，不如一開始晶片內就開始散熱，就像將一杯沸水倒入游泳池。且須不干擾電晶體精密屬性，IC 引入高導熱材料。出乎意料的，鑽石就是理想候選者。

▲ 低溫生長多晶鑽石為電晶體散熱提供新方法。

史丹佛大學發現，鑽石是完美選擇。鑽石是地球熱導率最高材料之一，比銅高許多倍。還是電絕緣體，單晶鑽石熱導率可達 2,200~2,400 瓦.米.克耳文，約銅的六倍。即使是更容易製造的多晶鑽石，性能也接近此數值。鑽石電絕緣且介電常數相對較低，可充當「熱介質」（thermal dielectric），使熱傳導時保持電絕緣性，不易造成訊號衰減。

史丹佛大學低溫生長多晶鑽石突破瓶頸

儘管鑽石極具吸引力，但要整合至晶片障礙巨大。傳統鑽石生長溫度超過 1,000°C，會破壞積體電路的精密結構，史丹佛大學於 Srabanti Chowdhury 教授領導下，成功克服看似不可能的挑戰。足夠低溫度下，直接在半導體元件長出多晶鑽石，並非常見的大型單晶鑽石，而是厚度不超過幾微米的多晶塗層。

▲ 鑽石和半導體的邊界形成一層薄薄碳化矽，充當熱量流入鑽石的橋梁。

為了能低溫生長，團隊找到關鍵化學配方，傳統甲烷和氫氣混合物添加氧氣，有助連續蝕刻非鑽石碳沉積物。大量實驗後找到配方，能 400°C 以下長出大晶粒多晶鑽石塗層。這溫度對 CMOS 電路和其他元件還在可承受範圍。

意外發現碳化矽介面可克服聲子瓶頸

儘管成功低溫生長鑽石塗層，但團隊仍面臨另一個挑戰，就是熱邊界阻力（Thermal Boundary Resistance，TBR），又稱「聲子瓶頸」。聲子是熱能量化包，會在不同材料邊界處堆積，阻礙熱流，降低 TBR 一直是熱介面工程的目標。

▲ 氮化鎵高電子遷移率電晶體是鑽石冷卻的理想測試案例。

團隊某次將鑽石長在氮化矽覆蓋的氮化鎵（GaN）上時，意外觀察到實測 TBR 遠低於預估。與德州大學達拉斯分校合作介面科學研究後，確認碳化矽（Silicon Carbide，SiC）形成是低 TBR 的原因。鑽石與氮化矽介面處混合導致碳化矽產生，正好可當聲子「橋梁」，使熱傳導效率更高。碳化矽介面使元件熱性能顯著提升。

氮化鎵與 3D CMOS 晶片早期應用展現潛力

團隊首先在氮化鎵高電子遷移率電晶體（GaN HEMTs）測試這種低 TBR 鑽石塗層。GaN HEMTs 是理想測試案例，因關鍵發熱部分（二維電子氣體）非常接近元件表面。早期結果令人振奮，GaN 射頻電晶體添加鑽石後，溫度下降超過 50°C。較低溫度電晶體放大 X 波段無線電訊號比以前提高五倍。

▲ 多晶鑽石有助降低3D晶片溫度。鑽石散熱孔會在微米級深孔洞生長，熱量就可從一個晶片垂直流向堆疊上方的另一個晶片。

N 極 GaN HEMT，當鑽石層完全圍繞 HEMT 時，通道溫度下降 70°C。此突破可能為射頻系統帶來轉型性的解決方案，使其能夠以比以往更高的功率運行。這些結果使團隊同時也將目光投向高功率 CMOS 晶片。對於 3D 堆疊晶片架構，他們提出了熱骨架（Thermal Scaffolding）的概念。

在熱骨架概念中，數奈米厚的多晶鑽石層將被整合到電晶體上方的電介質層中以分散熱量。這些層次隨後通過垂直的熱導體連接起來，這些稱之為熱柱的結構將熱量從一個晶片傳導到堆疊中的下一個晶片，直到熱量到達散熱片。經認證後，在一個雙晶片堆疊結構中，使用鑽石散熱片和熱柱架構，溫度降低可以到沒有熱骨架的1/10。模擬顯示，在超過五層的 AI 加速器中，熱骨架的作用至關重要，否則溫度將遠超典型限制。

產業協作與未來展望

這項研究已經引起了晶片產業的強烈興趣，包括應用材料、三星和台積電等大廠。透過史丹佛 SystemX 聯盟和半導體研究公司（Semiconductor Research Corp.），還擴大半導體產業競爭對手企業之間的合作。甚至，該團隊也正與美國國防部高級研究計劃局（DARPA）的 Threads 計畫攜手，致力於利用器件級的熱管理技術，開發功率密度比現今器件高 6 至 8 倍的高效可靠 X 波段功率放大器。

雖然，仍有挑戰需要克服，特別是如何使鑽石塗層的頂部達到原子級平坦一事。但研究人員和他們的合作夥伴深信，這項研究提供了一條顛覆性的熱管理新路徑。未來，鑽石散熱技術將沿循同樣的軌跡，成為使新一代電子產品不再受熱能限制的關鍵推動力。這項研究若成功，將確保高性能運算能夠持續發展，不再受制於熱能的束縛。

(首圖來源：shutterstock)