Чипы будущего основаны на алмазах: синтетические алмазы станут новым стандартом в охлаждении

Старая шутка о любви девушек к бриллиантам сегодня приобрела другой смысл. Компьютерные чипы становятся лучшими друзьями бриллиантов. Этот материал имеет одну из самых высоких теплопроводностей в мире, в несколько раз выше, чем у чистого меда. По мере увеличения вычислительной мощности процессоров и ускорителей увеличивается тепловыделение, и теперь именно алмаз может частично решить проблему перегрева, став идеальным радиатором будущего.

Современные микрочипы содержат сотни миллиардов транзисторов, и большая часть энергии в них теряется из-за утечки электричества. Это приводит к перегреву, снижает эффективность и сокращает срок службы устройств. В дата-центрах проблема стоит особенно остро — на охлаждение требуется больше энергии и денег. Без радикально новых решений потребление ИТ-инфраструктуры может выйти из-под контроля, поэтому поиск альтернативных материалов для рассеивания тепла стал одной из самых больших проблем для отрасли. И здесь синтетические алмазы выглядят особенно многообещающе.

Высокая теплопроводность алмаза обусловлена ​​его кристаллической структурой: каждый атом углерода соединен с четырьмя соседними, что обеспечивает эффективную передачу тепловых колебаний – квазифононов – во всех направлениях. Сегодня алмазные излучатели уже используются в космической электронике и других областях, где надежность имеет решающее значение, а в ближайшие годы такие технологии могут появиться и в пользовательских устройствах – от персональных компьютеров до смартфонов.

Одной из ведущих компаний, работающих в этой области, является Алмазный литейный завод из южного Сан-Франциско. Он производит сверхтонкие монокристаллические алмазные пленки, которые осаждаются на кремниевые пластины. Синтетические алмазы выращиваются методом CVD – химического осаждения паров углеродной плазмы – с последующей полировкой до идеальной кристаллической структуры. Готовые диски диаметром до 10 см шлифуются до атомной толщины, что позволяет им максимально плотно прилегать к поверхности кристалла и эффективно отводить тепло от горячих участков чипа.

Такое решение повышает производительность и долговечность чипа без необходимости использования массивных систем охлаждения, хотя цена остается высокой из-за сложности производства. Параллельно разрабатываются гибридные решения, такие как алмазные и медные радиаторы, представленные в этом году компанией Element Six (входит в группу De Beers).

Подобные конструкции уже используются в телекоммуникациях и космической отрасли, а теперь выходят на рынок компьютеров.

Однако создание атомарно тонких слоев синтетического алмаза остается нетривиальной и весьма дорогостоящей задачей.Именно поэтому ученые из Стэнфордского университета, например, ищут технологию создания «толстых» алмазных слоев на сколах другими методами. Вырастить многослойный алмазный слой проще, чем припудрить его. Кроме того, в одной микросхеме можно создать несколько таких слоев, чередующихся с транзисторами. Но проблема остается — подобные «поликристаллические» алмазы нагреваются вверх-вниз, чем вбок, а для сколов с большой площадью — это основной и тепло распространяется хуже. Но работа продолжается и результат скоро будет.