晶片過熱限制運算速度！這塊直徑10公分的大鑽石，是提升晶圓效能的秘密武器

當筆電開啟眾多視窗，或是手機開啟許多應用程式時，機身都會發燙，背後的原因在於晶片發熱，這是很正常的現象。但如果晶片過熱，不僅會降低效能與電池續航力，還可能會造成當機，影響使用者體驗，因此工程師不斷研究降低晶片溫度的技術。

《華爾街日報》指出，就有公司製造直徑10公分的超大人工鑽石，嘗試用它製作晶圓，讓晶片更容易散熱。

《華爾街日報》報導：One of the World’s Biggest Diamonds Could Be Key to Some of the World’s Fastest Microchips

矽可絕緣熱能，但導致熱量累積並讓晶片發燙

晶片是電子設備的大腦，負責執行邏輯運算，而晶片發熱的原因，在於電流通過電晶體時所產生的熱效應，因為電流通過電阻會釋放一部份能量，該能量以熱能形式表現。雖然單一電晶體產生的熱量很小，但每顆CPU內部都有上億個電晶體，就算每顆電晶體釋放極微小的熱量，整體下來的熱能也十分可觀。

這種熱能是晶片大敵，因為它會降低運算效能，進而影響電腦、手機的表現。若該晶片用於AI，發熱的問題將更棘手，因為AI需要大量運算，而且當AI模型升級一個世代，算力需求平均就會增加10倍，讓晶片更燙。麻省理工學院奈米工程實驗室主任Gang Chen指出，目前高性能晶片每平方公分會消耗大約100瓦能量，當中有很多能量會變成熱能，造成晶片發燙。

而半導體本身材料則讓發燙問題更嚴重。目前晶片大多以「矽」作為半導體材料，它是地殼含量僅次於氧的第二大元素，容易取得，而且也能加以高度純化，並自由調整電阻率，由外部施加電壓改變它的導電能力，因此是半導體主要材料。問題是，矽會絕緣熱能，所以無法有效將運算產生的熱能傳出去，造成熱量累積，限制晶片運作能力。

在輝達晶片加入鑽石，能將運算速度提升3倍

現階段的解決方法，是在電子裝置中安裝散熱片，而部分筆電則會安裝散熱風扇。但是散熱風扇的體積大，運轉還會耗費額外能量，不僅讓電腦更大更重，還會降低電池續航力。因此工程師致力研究晶片散熱，期望解決熱能累積的問題，而「鑽石」是工程師正在嘗試的解決方案。

鑽石的導熱能力優良，在各項材料當中名列前茅，若你用手握一片極薄的鑽石切片去切冰塊，它可以輕鬆將冰塊一分為二，因為它能將人體的溫度傳導到冰塊上，讓冰塊融化，進而容易切割。而工程師研發出極薄的鑽石圓柱狀切片，看起來是半透明的鑽石圓盤。雖然目前還不能用鑽石製作微晶片，但可以用鑽石取代晶圓上大部分的非活性矽，提升導熱的能力。

位於美國舊金山的一座人工鑽石製造商Diamond Foundry表示，鑽石可以提升晶片的運作速度，同時也能縮小它的體積，進而提升電子產品的效能。Diamond Foundry的執行長Martin Roscheisen表示，在2022年收購德國公司Augsburg Diamond Technology後，Diamond Foundry使用從它們那邊學到的技術，培育出厚度不到3毫米，直徑為4英寸（10.16公分）的人造鑽石晶圓，並與矽微晶片結合，成功讓晶片快速降溫。Diamond Foundry在輝達（NVIDIA）的晶片上導入這項技術，成功在實驗室的條件下，將運算速度提升3倍。

晶片加入鑽石協助散熱，有望解決過熱的問題，若解決，則可能讓晶片速度提升為兩倍以上。假設一個AI運算系統的運算速度增加為兩倍，將會等同於兩個AI同時運作，可讓Google等科技巨頭省下可觀的運算成本。但Diamond Foundry技術的普及關鍵是合成鑽石的成本。目前Diamond Foundry合成的鑽石為單晶，而多晶的鑽石更容易合成，因此是降低成本的一個考慮方案。

除了鑽石，科學家也在研究「硼」這個材料，未來可能會用它來製作晶片。硼也是全世界導熱能力名列前茅的材料，但跟鑽石不同的是，鑽石是絕緣體，但硼跟矽一樣都是半導體，代表它能作為晶片的材料，而且它的導熱快，代表晶片的運算速度也能提升。

自從個人電腦、智慧型手機普及之後，晶片發熱就是製造商關注的議題，而AI對算力的要求更大，晶片發燙對運算能力的影響更劇烈。鑽石是目前工程師正在研究的解決方案，若能成功商用，對設備的效能將有顯著的幫助。 （相關報導： 蘋果「自家晶片」一延再延！外媒曝「2大瓶頸」　知情人士：現在不太可能突破 ｜ 更多文章 ）

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責任編輯／郭家宏