Để phát triển những con chip nhanh nhất thế giới, cần phải giải quyết vần đề tản nhiệt và kim cương nhân tạo là một trong các vật liệu đang được thử nghiệm nhằm giải quyết vấn này.

Vi xử lý bán dẫn ngày càng nóng, tỏa ra nhiều nhiệt khi các kỹ sư cố nhồi nhét tính năng và cải thiện hiệu năng cho chúng. Bộ xử lý làm từ silicon chỉ có thể hoạt động ổn định ở nhiệt độ dưới 105°C. Các nhà phát triển phải tìm cách tản nhiệt nhanh nhất có thể nhằm bảo đảm khả năng vận hành. Điều này buộc Thung lũng Silicon tìm kiếm vật liệu mới để giải quyết vấn đề. "Giới hạn lớn nhất với hiệu năng của chip là nhiệt độ vận hành tối đa", Andy Bechtolsheim, nhà đồng sáng lập kiêm tổng thiết kế phần cứng của Sun Microsystems, cho hay.

Vấn đề nhiệt lượng

Gang Chen, Giám đốc văn phòng kỹ thuật nano tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), nói các bộ xử lý hiệu năng cao hiện đại có thể đạt mức tiêu thụ 100 W cho mỗi cm vuông diện tích. "Năng lượng đó sẽ chuyển thành nhiệt cần được giải phóng khỏi hệ thống", ông nói.

Đây là vấn đề gai góc với những trung tâm dữ liệu hiện đại. Thế hệ chip sau có hiệu năng cao gấp nhiều lần sản phẩm đời trước, dẫn tới những đòi hỏi về cung cấp năng lượng và giải nhiệt. "Phát triển những dòng chip mới đòi hỏi mọi công nghệ hiện có, cùng hàng loạt vật liệu thay thế như kim cương nhân tạo", Bechtolsheim nói.

Kim cương là vật liệu dẫn nhiệt tốt nhất con người từng phát hiện, nhưng chưa thể dùng để chế tạo chip bán dẫn vì vấn đề kỹ thuật và chi phí. Phương án khả thi nhất là phát triển chip thông thường, loại bỏ phần nền silicon không chứa mạch điện và gắn phần còn lại với tinh thể kim cương đơn.

Tấm kim cương do Diamond Foundry chế tạo

Các kỹ sư Diamond Foundry tuyên bố đã phát triển viên kim cương lớn nhất thế giới xét về đường kính. Hãng sử dụng công nghệ của Đức để tạo ra miếng wafer bằng kim cương nhân tạo có đường kính 10,16 cm, dày chưa đến 3 mm và có khả năng gắn với chip silicon.

Diamond Foundry đã xuất xưởng hàng trăm tấm wafer như vậy. "Chip bán dẫn có thể vận hành với xung nhịp gấp đôi thông số của nhà sản xuất. Kỹ sư của chúng tôi thậm chí tăng gấp ba lần xung nhịp của một trong những dòng chip mạnh nhất do Nvidia chế tạo", CEO Diamond Foundry Martin Roscheisen cho hay.

CEO Roscheisen nói công ty đang thảo luận với những nhà sản xuất chip hàng đầu thế giới, cùng nhiều tập đoàn quốc phòng và hãng xe điện, nhằm giúp sản phẩm của họ vận hành nhanh hơn và có kích thước nhỏ hơn.

Yếu tố then chốt dẫn tới quá trình này là giá thành kim cương nhân tạo ngày càng rẻ. Mỗi tấm wafer hiện có chi phí tương đương wafer bằng silicon carbide, vật liệu thường được dùng trong ôtô điện.

Ngoài wafer kim cương đơn tinh thể của Diamond Foundry, một phương án khác là là kim cương đa tinh thể, vốn dễ tổng hợp hơn. Coherent, công ty có trụ sở tại bang Pennsylvania của Mỹ, chuyên sản xuất loại vật liệu này để dùng cho ứng dụng laser.

Element Six, công ty thuộc tập đoàn kim cương De Beers Group, chào bán những tấm kim cương lớn để kẹp giữa chip bán dẫn và tản nhiệt truyền thống nhằm tăng khả năng dẫn nhiệt.

Trong khi đó, Intel đang theo đuổi phương án lắp chip trên tấm nền thủy tinh. Biện pháp này mang đến nhiều lợi ích, như giữ chắc kết cấu của chip nguyên khối vốn ngày càng lớn và tăng số lượng chiplet trong một bộ xử lý. Thủy tinh không giúp tản nhiệt nhưng bảo đảm chip bán dẫn không bị hỏng khi kích thước gia tăng và tiêu thụ ngày càng nhiều năng lượng.

Rahul Manepalli, chuyên gia phát triển công nghệ đóng gói chip của Intel, cho biết: "Các hệ thống AI có thể chạm ngưỡng tỏa 1.000 W nhiệt trên mỗi bộ thiết bị". Con số này tương đương lượng nhiệt của máy sấy tóc, được tạo ra bởi khối chip bán dẫn có kích thước gần 26 cm2.

Tấm đế thủy tinh cũng mang đến mật độ kết nối cao hơn, cho phép các bộ phận của chip giao tiếp nhanh hơn mà không tăng lượng điện tiêu thụ.

Các kỹ sư Intel đã chứng minh được hiệu quả của công nghệ này trong điều kiện phòng thí nghiệm và dự kiến ra mắt chip dùng đế thủy tinh đầu tiên sau 2025.

Tấm đế thủy tinh thử nghiệm được Intel công bố

Thay thế silicon

Bechtolsheim nhận định, "Một ngày nào đó, chip máy tính có thể mang thiết kế từng được coi là kém khả thi, với thủy tinh trên cùng để cung cấp khả năng kết nối tốc độ cao, lớp silicon ba chiều ở giữa để thực hiện tính toán và tấm nền kim cương dưới cùng để thoát nhiệt".

Giới khoa học và kỹ sư dự báo ngành công nghệ có thể loại bỏ hoàn toàn silicon khỏi chip bán dẫn trong tương lai. Một trong những phương án thay thế là boron arsenide, được các nhà nghiên cứu xác nhận là vật liệu có khả năng truyền nhiệt tốt thứ ba thế giới hiện nay.

Trong khi kim cương là vật liệu cách điện, boron arsenide là chất bán dẫn tương tự silicon. Điều này cho phép nó trở thành vật liệu lý tưởng để phát triển vi xử lý với những tính năng chưa từng có, như tốc độ rất cao và khả năng tản nhiệt tốt.