啟明會議
手機玩 10 分鐘就燙到握不住？AI 服務器功耗飆到 15 千瓦、熱到自動降頻？隨著芯片里的晶體管越塞越多、運算速度越來越快，“散熱” 早已成為制約電子設備性能的頭號難題。
未來產鏈
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芯片散熱有多難？熱到 “罷工” 的行業困局
如今驚人的計算能力正使我們從人類智能邁向人工智能。隨著機器能力的不斷提升，它們不僅成為工具，更成為塑造我們未來的決策者。但是，強大的力量也會帶來巨大的熱量！
當納米級晶體管以千兆赫茲的速度切換時，電子在電路中高速運動，并將能量以熱量的形式散失——這就是你用筆記本電腦或手機時手指被燙傷的感覺。過去我們一味追求晶體管微型化，卻忽略了散熱空間的流失。熱量不再像以前那樣迅速擴散到整個硅片上（這樣更容易散熱），而是積聚形成熱點，這些熱點的溫度可能比芯片其他部分高出幾十度。溫度越高，晶體管漏電流越大，造成功率損耗；而且老化速度也越快。
芯片中熱量的來源與解決方案
隨著半導體和處理器的性能和密度不斷提升，晶體管的排列也越來越緊密；例如，英偉達的 Blackwell GPU 架構在單個 GPU 上就集成了 2080 億個晶體管。所有這些緊湊化和小型化都面臨著熱力學限制，效率方面的創新會被熱力學限制所抵消。同時，新型 3D 堆疊芯片像 “硅制摩天樓”，每層熱量都難以排出，成為技術落地的最大障礙。其中，最大的問題在于芯片材料的導熱性差，導致熱量滯留在芯片內部并集中，從而使芯片內部溫度飆升。
換句話說，最初追求小型化的努力已經演變成一場與熱能的斗爭。這一挑戰遍及所有電子產品，從手機、電腦到數據中心的超級服務器，從通信設備到電力電子，散熱難題已滲透到電子領域的方方面面，成了行業發展的 “絆腳石”。
多年來，金剛石因其極高的導熱性而被視為未來芯片的理想組件，單晶金剛石的導熱系數是銅的六倍。將金剛石取直接生長在半導體之上，形成碳化硅中間層，從而在晶體管上實現革命性的散熱性能。傳統的半導體散熱器永遠無法穿透芯片內部，將熱量從熱點區域帶走，尤其是在3D芯片架構不斷發展并向上擴展的情況下。但大尺寸規格的金剛石供應不足。
圖：（左）在金剛石和半導體的界面處，會形成一層薄薄的碳化硅。它起到橋梁的作用，使熱量能夠流入金剛石。（右）氮化鎵高電子遷移率晶體管是金剛石冷卻的理想測試案例。
近期，Srabanti Chowdhury教授團隊取得的最大創新成果是能夠在足夠低的溫度下直接在半導體器件上生長金剛石，該生長方法能夠在400°C的高溫下，在器件周圍制備出“大晶粒多晶金剛石”。與傳統方法相比，僅僅降低溫度是行不通的，該方法在混合物中添加了更高濃度的氧氣，從而蝕刻掉了非金剛石碳沉積物，避免了產生會損害而非促進導電性的煙塵。400°C的溫度在CMOS器件可承受的范圍內，同時又足以形成金剛石而非更多的煙塵。大晶粒也是該方法的關鍵所在，因為與許多彼此相鄰的短晶粒層相比，大晶粒能夠確保更高的導電性，因為后者無法有效地散熱。
然而，制備厚度不超過幾微米的多晶金剛石涂層是一件不容易的事情。通常，是需要通過在900℃或更高的高溫下使甲烷和氫氣反應來實現的。這并非生成單晶，而是形成一片由細長柱狀結構組成的“森林”。隨著這些納米柱不斷生長，它們會聚集成均勻的薄膜，但當最終形成高質量的多晶金剛石時，薄膜已經非常厚了。這種厚厚的生長會增加材料的應力，并常常導致開裂和其他問題。
另外，但該團隊同時也面臨著另一個關鍵挑戰——聲子瓶頸，也稱為熱邊界電阻（TBR）。聲子是熱能的包絡，就像光子是電磁能的包絡一樣。具體來說，它們是晶格振動的量子化版本。這些聲子會在材料界面處堆積，阻礙熱傳遞。降低熱邊界電阻一直是熱界面工程領域的一個長期目標，通常的做法是在界面處引入不同的材料。但半導體僅與某些特定材料兼容，這限制了選擇。
在氮化硅覆蓋的氮化鎵上生長金剛石時，該團隊觀察到了一些意想不到的現象：測得的TBR值遠低于先前報道的預期值。通過對界面科學與工程的深入研究，并與德克薩斯大學達拉斯分校的KJ Cho合作，該團隊找到了熱阻比降低的原因。金剛石和氮化硅界面處的互混導致了碳化硅的形成，碳化硅如同聲子的橋梁，促進了更高效的熱傳遞。采用碳化硅界面后，該團隊的器件熱性能顯著提升。
熱支架將連接三維堆疊硅芯片中不同芯片上的散熱多晶金剛石層。這些熱柱將穿過每個芯片的互連線和介電材料，使熱量垂直傳遞到整個堆疊結構中。
總的來說，斯坦福大學的研究團隊攻克了這一看似不可能的難題，實現了兩大關鍵突破：
多晶金剛石有助于降低3D芯片內部溫度。金剛石導熱通孔會在微米級深度的孔洞內生長，使熱量能夠從一個芯片垂直傳遞到堆疊在其上方的另一個芯片中的金剛石散熱器
這項技術已在實際器件中得到驗證，效果驚人：
1、GaN HEMT：第一個測試案例
該團隊開始在氮化鎵高電子遷移率晶體管（HEMT）中測試新型低TBR金剛石涂層。這些器件通過控制流經溝道內形成的二維電子氣的電流來放大射頻信號：引入了金剛石層，使其完全包裹HEMT，甚至包括側面。測試結果觀察到器件高頻性能有所下降，但散熱方面的提升非常顯著——溝道溫度大幅降低了70°C。這項突破有望成為射頻系統的一項變革性解決方案，使其能夠以前所未有的更高功率運行。
2、 3D 堆疊芯片和CMOS中的金剛石
針對高功率CMOS芯片，該團隊也做了相關測試。在CMOS計算芯片領域，3D堆疊是提高集成密度、提升性能并克服傳統晶體管尺寸縮小限制的最可行途徑。它已被應用于一些先進的AI芯片，例如AMD的MI300系列。它也已應用于為Nvidia GPU和其他AI處理器傳輸數據的高帶寬內存芯片中。這些3D堆疊中的多層硅主要通過微小的焊球連接，或者在一些更先進的情況下，僅通過銅端子連接。從這些堆疊中輸出信號和電源需要垂直的銅導線穿過硅層到達芯片封裝的基板。但3D堆疊芯片的一個關鍵問題是堆疊內部形成的熱瓶頸。在3D架構中，傳統的散熱器和其他用于2D芯片的散熱技術并不適用。從每一層有效散熱至關重要。
3D芯片中計算硅的層數越多，散熱支架的作用就越大。如果沒有散熱支架，超過五層的AI加速器溫度將遠遠超過典型溫度限制。
該研究引入了熱支架的概念。在該方案中，納米級厚度的多晶金剛石層被集成到晶體管上方的介電層中，用于散熱。這些金剛石層通過垂直的熱導體（稱為熱柱）連接，熱柱由銅或金剛石制成。這些熱柱連接到另一個散熱器，該散熱器又連接到3D堆疊中下一個芯片上的熱柱，以此類推，直到熱量到達散熱器或其他冷卻裝置。
目前這項共工作仍有一些障礙需要克服。特別是，需找到一種方法，使金剛石涂層的表面達到原子級平整。但是，該團隊正與行業伙伴和其他研究人員合作，系統地研究這個問題以及其他科學和技術問題。
04
這項研究可能為熱管理開辟一條顛覆性的新途徑，并為未來高性能計算的可持續發展邁出關鍵一步。研究人員預測，即將推出的芯片制造技術可能會使熱點溫度升高近10°C。這或許就是這項研究引起芯片行業（包括應用材料公司、三星和臺積電）濃厚興趣的原因。目前，斯坦福大學的研究團隊正在推進金剛石導電層的產業化應用。
五角大樓的DARPA項目似乎已將該研究團隊納入其現有的氮化鎵晶體管金剛石項目，預計將于2027年取得成果。例如，正在與美國國防高級研究計劃局 (DARPA) 的 Threads項目合作，該項目旨在利用器件級熱管理技術開發高效可靠的 X 波段功率放大器，其功率密度是現有器件的 6 到 8 倍。該項目由Tom Kazior構思并最初負責，是驗證低溫金剛石集成技術在 GaN HEMT 制造中應用的關鍵平臺。
其研究方向不僅限于氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT），還延伸至其他材料，尤其是硅基計算芯片。在硅基計算芯片領域，斯坦福大學已與臺積電（TSMC）建立了合作關系，并通過斯坦福系統創新聯盟（Stanford SystemX Alliance）和半導體研究公司（Semiconductor Research Corp.）與應用材料公司（Applied Materials）、美光科技（Micron）、三星等公司拓展新的合作機遇，進一步開發這項技術以實現商業效益。
芯片制造行業要想在1納米及更小尺寸的時代生存下去，就必須采取像這樣的大膽創新，因為在硅基計算時代到來之前，導電性和散熱方面的基本限制將呈指數級增長。在半導體上印刷鉆石能否成為硅基時代終結前的權宜之計，甚至能否為未來的襯底鋪平道路，時間會給出答案。
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來源：DOI: 10.1109/MSPEC.2025.11237229
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