Tại sao viên kim cương lớn nhất hành tinh lại được sử dụng để tạo ra bộ vi xử lý mạnh nhất thế giới?

Nhiệt là một vấn đề lâu năm đối với các kỹ sư. Thành công của bóng đèn điện thực tế đầu tiên của Thomas Edison đến từ việc nó không cháy nhanh. Trong khi đó, động cơ khí truyền thống cần dầu và chất làm mát để tránh hư hỏng, còn các lò phản ứng hạt nhân cần một hệ thống làm mát tinh vi để tránh tan chảy. Nếu bạn có một chiếc máy tính xách tay cũ tạo ra nhiều nhiệt đến mức khiến bạn cảm thấy khó chịu nếu đặt nó lên đùi – thì bạn đã hiểu rõ ràng về rào cản chính khiến máy tính của bạn nhanh hơn, cụ thể là những con chip.

Andy Bechtolsheim, người đồng sáng lập Sun Microsystems vào năm 1982 và là nhà thiết kế phần cứng chính của công ty, cho biết: “Giới hạn cứng về hiệu suất là nhiệt độ tối đa mà con chip có thể chịu được”. Theo đó, độ tin cậy và hiệu suất của chip sẽ suy giảm nghiêm trọng nếu chúng hoạt động ở nhiệt độ cao hơn 105 độ C. Để đạt được tốc độ cao hơn mà không bị hư hại, các nhà phát triển chip hướng đến việc tản nhiệt—hoặc di chuyển nhiệt ra khỏi nguồn nhiệt—càng nhanh càng tốt

Gang Chen, giám đốc phòng thí nghiệm kỹ thuật nano tại Viện Công nghệ Massachusetts, cho biết các bộ vi xử lý hiệu suất cao ngày nay có thể tiêu thụ khoảng 100 watt điện trên mỗi cm vuông. Theo chuyên gia này, năng lượng mà chip sử dụng để thực hiện các phép tính cuối cùng sẽ được chuyển hóa thành nhiệt, “và lượng nhiệt đó phải thoát ra ngoài”.

Đây là một vấn đề đặc biệt nghiêm trọng tại các trung tâm dữ liệu được sử dụng để tạo ra các mô hình trí tuệ nhân tạo mới nhất và tốt nhất. Từ thế hệ này sang thế hệ tiếp theo, lượng sức mạnh tính toán cần thiết sẽ tăng trung bình gấp 10 lần. Điều này có nghĩa là, với các thế hệ chip mới trong tương lai, các kỹ sư sẽ buộc phải sử dụng hàng loạt “thủ thuật” khác nhau để tạo ra các linh kiện có hiệu năng tốt hơn nhưng tỏa nhiệt thấp hơn. . Một trong những phương pháp thay thế được đề xuất có thể bao gồm việc sử dụng kim cương làm vật liệu chế tạo tấm bán dẫn.

Sử dụng viên kim cương lớn nhất thế giới để chế tạo chip

Kim cương là chất dẫn nhiệt tốt nhất được nhân loại biết đến. Nhưng con người vẫn chưa thể tạo ra bộ vi xử lý bán dẫn từ kim cương. Do đó, phương án tốt nhất là tạo ra một con chip thông thường, loại bỏ phần đế silicon không chứa mạch điện và gắn phần còn lại bằng một tinh thể kim cương duy nhất.

Tại Diamond Foundry, nơi có phòng thí nghiệm ở Thung lũng Silicon và cơ sở sản xuất đầu tiên ở Wenatchee, Washington, các kỹ sư đã tạo ra thứ mà công ty tuyên bố là viên kim cương lớn nhất từ ​​trước đến nay. thế giới – ít nhất là về đường kính. Với chiều ngang 4 inch (10 cm), các tấm kim cương tổng hợp dày chưa đến 3 mm được chế tạo trong lò phản ứng này có thể được kết hợp với các vi mạch silicon, cho phép chuyển đổi nhiệt mà các con chip tạo ra. bị mất nhanh chóng.

Đến nay, Diamond Foundry đã sản xuất hàng trăm tấm wafer được tạo ra từ kim cương. Theo Martin Roscheisen, Giám đốc điều hành của Diamond Foundry, việc sử dụng kim cương tổng hợp làm vật liệu sản xuất tấm bán dẫn cho phép các chip được sản xuất bằng công nghệ này chạy nhanh ít nhất gấp đôi tốc độ định mức của chúng. Sử dụng phương pháp này trên một trong những chip đồ họa mạnh nhất của Nvidia, các kỹ sư của Diamond Foundry thậm chí còn đạt được mức hiệu suất cao gấp ba lần so với chip thông thường dựa trên vật liệu dành cho người tiêu dùng. tiêu chuẩn.

Được biết, Diamond Foundry đang đàm phán với hầu hết các nhà sản xuất chip lớn nhất thế giới, cũng như một số nhà thầu quốc phòng và nhà sản xuất xe điện, để giúp các bộ vi xử lý và thiết bị điện tử mà họ tạo ra kích thước nhỏ hơn, hoặc hiệu suất tốt hơn, hoặc thậm chí là cả hai. Yếu tố chính đằng sau tất cả những điều này là chi phí tổng hợp tấm wafer dựa trên kim cương này đang giảm. Theo Giám đốc điều hành Roscheisen, những tấm wafer này có giá tương đương với những tấm làm từ cacbua silic, thường được sử dụng trong điện tử công suất.

Tuy nhiên, Diamond Foundry không phải là nhà sản xuất tấm bán dẫn dựa trên kim cương tiềm năng duy nhất trong tương lai. Trên thực tế, trò chơi tiềm năng này bao gồm nhiều công ty khác đang cung cấp các tấm bán dẫn đa tinh thể dễ tổng hợp hơn, chẳng hạn như Coherent hoặc Element Six. Element Six thậm chí còn cung cấp những viên kim cương tổng hợp lớn hơn của Diamond Foundry, có thể được đặt giữa chip và tản nhiệt truyền thống.

Trong khi đó, Intel – gã khổng lồ trong ngành sản xuất chip – tập trung vào việc sử dụng thủy tinh nguyên chất để chế tạo các tấm wafer, loại kính này sẽ được ứng dụng cho hầu hết (nếu không phải tất cả) các dòng sản phẩm của mình. Cái này.

Điều này đã được thử nghiệm tại các nhà máy của Intel và sẽ được triển khai vào năm 2025-2030. Thay vì tập trung vào việc kiểm soát nhiệt độ, thủy tinh nguyên chất được sử dụng để cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng và giao tiếp giữa các chiplets. Tuy nhiên, hiệu suất sử dụng năng lượng cao hơn cũng là yếu tố lý tưởng để chip hoạt động “mát hơn”.

Loại bỏ hoàn toàn silicone

Trong tương lai, các nhà khoa học dự đoán con người cũng sẽ có thể loại bỏ và thay thế hoàn toàn silicon trong sản xuất chip. Ứng cử viên thay thế silicon có thể là boron arsenide, được cho là vật liệu tốt thứ ba trên thế giới. về khả năng truyền nhiệt. Nếu kim cương là chất cách điện thì boron arsenide là chất bán dẫn, giống như silicon. Điều này cho phép tạo ra những con chip “lý tưởng” – vừa xử lý nhanh vừa tản nhiệt tốt. Chưa kể, tinh thể boron arsenide rất giỏi trong việc di chuyển xung quanh các quasi hạt tích điện dương gọi là “lỗ trống” – những vị trí trong vật liệu không có electron. Điều này sẽ tạo ra những loại logic tính toán mà con người ngày nay không sử dụng rộng rãi.

Một ngày nào đó, thiết kế của những con chip sẽ giống như một chiếc bánh sandwich, với lớp kính siêu tinh khiết ở trên để tăng tốc độ kết nối, một lớp silicon ba chiều ở giữa để tăng tốc độ. tay cầm và một tấm wafer kim cương ở phía dưới để tăng khả năng thoát nhiệt.

Tham khảo Tạp chí Phố Wall

Link nguồn: https://cafef.vn/vi-sao-vien-kim-cuong-lon-nhat-hanh-tinh-lai-duoc-su-dung-de-che-tao-ra-vi-xu-ly-manh-nhat-the-gioi-188231107105907609.chn