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

2023-11-23 12:10
Diamon Foundry用人工鑽石打造晶圓,提升其散熱能力,進而加快運算速度。(圖/Diamon Foundry)
Diamon Foundry用人工鑽石打造晶圓,提升其散熱能力,進而加快運算速度。(圖/Diamon Foundry)

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。

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《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。

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

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