Theo Interesting Engineering, công ty Diamond Foundry ở San Francisco tạo ra tấm wafer kim cương siêu lớn sau 25 năm nỗ lực phát triển các tinh thể. Bước tiến này hứa hẹn đưa một trong những vật liệu dẫn nhiệt tốt nhất đến gần sản xuất bán dẫn hơn. Tuy nhiên, hiện nay Diamond Foundry mới chỉ trưng bày tinh thể mới ở dạng thô chưa qua đánh bóng.
Khối tinh thể 200 mm này lớn ngang tấm wafer mà các nhà máy bán dẫn đang dùng trong quy trình sản xuất thế hệ cũ. Nó có cấu trúc liền khối đồng nhất, không phải do nhiều viên kim cương nhỏ ghép lại với nhau hay đĩa chứa nhiều hạt tinh thể rời rạc. Khác biệt đó rất quan trọng vì nếu có đường ranh giới giữa các hạt hoặc lỗi cấu trúc, khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện của vật liệu sẽ kém hiệu quả.
Kim cương cấu tạo từ những nguyên tử carbon sắp xếp theo mạng tinh thể cực kỳ chặt chẽ. Để tạo ra kim cương đơn tinh thể kích thước lớn, nhà sản xuất phải giữ nguyên cấu trúc nguyên tử trong suốt quá trình phát triển. Chỉ cần một sai lệch nhỏ cũng có thể tạo ra lỗi, làm hỏng đặc tính quý giá cần duy trì. Phương pháp truyền thống sử dụng nhiệt độ và áp suất cao có thể tạo ra kim cương nhân tạo, nhưng tăng kích thước tinh thể để dùng trong ngành bán dẫn là một thách thức kỹ thuật lớn. Hướng đi khác là phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD), nuôi cấy kim cương từ dạng khí chứa carbon trong môi trường kiểm soát. Trong đó, CVD sử dụng plasma vi sóng đóng vai trò đặc biệt quan trọng nhằm tạo ra tinh thể kim cương lớn chất lượng cao.
Vào ngày 6/11/2023, Diamond Foundry công bố tấm wafer kim cương đơn tinh thể 100 mm sản xuất bằng cách sử dụng phương pháp nuôi cấy dị thể. Đây là kỹ thuật nuôi tinh thể ngay trên bề mặt vật liệu khác, nhưng vẫn kích thích nó phát triển theo đúng cấu trúc mạng tinh thể đồng đều của kim cương tự nhiên. Công ty chưa tiết lộ liệu tinh thể 200 mm có sử dụng chính xác cùng quy trình hay không.
Theo giám đốc điều hành Martin Roscheisen, thành tựu mới nhất đòi hỏi những tiến bộ trong vật lý plasma, lò phản ứng, hóa học phát triển, kỹ thuật tinh thể và kiểm soát sản xuất.
Chip AI và hệ thống máy tính hiện nay thường tập trung lượng điện năng khổng lồ vào khu vực tương đối nhỏ, dẫn tới nguy cơ nóng cục bộ, làm giảm hiệu suất hoạt động, tốn chi phí làm mát và tăng tốc độ xuống cấp linh kiện. MLQ.AI cho biết, một trong những đặc điểm hấp dẫn nhất của kim cương là khả năng dẫn nhiệt vượt trội. Kim cương đơn tinh thể độ tinh khiết cao có thể dẫn nhiệt khoảng 2.000 watt/mét - độ C (đơn vị đo hệ số dẫn nhiệt) ở nhiệt độ phòng, gấp vài lần so với đồng. Khả năng đó khiến kim cương cực kỳ hữu ích trong việc tản nhiệt cho các thiết bị điện tử ngày càng mạnh mẽ.
Kim cương có thể dùng vào bộ tản nhiệt hoặc đế nâng đỡ trong gói chip cao cấp, giúp dẫn nhiệt ra khỏi những điểm quá nóng. Nhờ khả năng chịu điện áp cực tốt, kim cương còn là vật liệu lý tưởng cho thiết bị điện tử công suất lớn và tần số cao, giúp chúng hoạt động bền bỉ trong điều kiện khắc nghiệt. Tuy nhiên, kim cương vẫn chưa thể thay thế hoàn toàn silicon vì sản xuất các thiết bị điện tử từ vật liệu này rất khó khăn, đặc biệt ở khâu kiểm soát đặc tính dẫn điện. Việc tích hợp kim cương với vật liệu bán dẫn hiện có và quy trình sản xuất cũng cần nghiên cứu thêm.
Tấm tản nhiệt kim cương đơn tinh thể 200 mm ở trước trụ sở tại San Francisco của Diamond Foundry. Ảnh: Diamond Foundry
Do ra đời trực tiếp từ quy trình phát triển và chưa đánh bóng, tấm wafer kim cương đơn tinh thể 200 mm của Diamond Foundry sẽ cần xử lý và đánh giá thêm để xác định có phù hợp với sản xuất chip hay không. Nhà sản xuất cần đảm bảo tấm wafer đạt độ dày đồng đều, bề mặt phẳng, cực ít lỗi, đồng thời có tính dẫn điện và nhiệt ổn định trên toàn bộ bề mặt sử dụng. Họ cũng phải chứng minh khả năng duy trì chất lượng ổn định qua nhiều đợt sản xuất liên tiếp và tiềm năng đưa vật liệu vào quy trình chế tạo thiết bị.
Theo Tom’s Hardware, Diamond Foundry cho biết tấm wafer kim cương 200 mm sẽ giúp công ty tiến gần hơn tới sản xuất tinh thể 300 mm trước năm 2030, bắt kịp kích cỡ đĩa bán dẫn đang được dùng trong những quy trình sản xuất chip tiên tiến nhất hiện nay. Công ty đang mở rộng tham vọng sản xuất thông qua dự án trị giá 2,77 tỷ USD tại Tây Ban Nha với sự hỗ trợ từ Đạo luật Chip châu Âu. Mục tiêu lớn hơn của họ là biến kim cương đơn tinh thể thành vật liệu bán dẫn công nghiệp, thay vì sản phẩm đặc thù có kích thước hạn chế.
Tấm tản nhiệt kim cương đang được cung cấp với số lượng nhỏ giọt. Hồi tháng 2, hãng Akash Systems thông báo họ đã giao các máy chủ chạy chip NVIDIA H200 (gắn hệ thống làm mát từ kim cương nhân tạo) cho NxtGen AI, công ty cung cấp dịch vụ điện toán đám mây tại Ấn Độ. Trong tháng 10, hãng Frore Systems ra mắt LiquidJet Diamond, tấm tản nhiệt chất lỏng gắn những mảnh kim cương phủ ngay trên điểm nóng nhất của chip xử lý. Theo họ, lớp kim cương này giúp hạ nhiệt tới 10°C tại điểm nóng, tuy nhiên con số này đến từ mô hình tính toán của công ty.
An Khang tổng hợp