'Dát' kim cương lên chip bán dẫn để tăng độ bền

Việc tản nhiệt được xem là vấn đề nan giải với các nhà sản xuất chip hiện nay. Ảnh: Ag5.

Nhiệt được xem là "kẻ thù số 1” của mọi loại thiết bị. Từ những chiếc bóng đèn, các phương tiện giao thông đến các lò phản ứng hạt nhân… tất cả đều cần được làm mát để hoạt động lâu bền, chống cháy nổ.

Đối với chip bán dẫn cũng vậy. Theo chuyên gia Rahul Manepalli của Intel, một mảnh chip có kích thước gần 26 cm2 có thể tỏa ra tới 1.000 W nhiệt, tương đương lượng nhiệt của máy sấy tóc. Do đó, muốn chip đạt được hiệu suất cao hơn mà không bị hỏng hóc, việc tản nhiệt phải được đặt lên hàng đầu.

Để giải quyết vấn đề trên, các nhà sản xuất chip tại Thung Lũng Silicon đang tìm kiếm một số vật liệu có khả năng tản nhiệt tốt, thay thế silicon trong vi mạch. Trong đó, kim cương tổng hợp và thủy tinh siêu tinh khiết được xem là tiềm năng hơn cả.

Kim cương tản nhiệt, thủy tinh tăng độ bền

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.

Nắm bắt xu hướng đó, hãng Diamond Foundry của Mỹ gần đây đã sản xuất thành công những miếng wafer bằng kim cương nhân tạo có đường kính 10,16 cm, dày chưa đến 3 mm và có thể gắn với chip silicon.

Miếng wafer bằng kim cương nhân tạo có khả năng giúp chip tản nhiệt nhanh chóng. Ảnh: Diamond Foundry.

"Chip bán dẫn từ kim cương có thể vận hành với xung nhịp gấp đôi thông số của nhà sản xuất. Kỹ sư của chúng tôi thậm chí tăng gấp 3 lần xung nhịp của một trong những dòng chip mạnh nhất do Nvidia chế tạo", CEO Martin Roscheisen của Diamond Foundry cho hay.

Ông Roscheisen cho biết công ty đang thảo luận với các 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.

Điều đáng mừng là giá 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 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.

Tấm đế thủy tinh siêu tinh khiết giúp tăng độ bền cho chip được Intel sử dụng. Ảnh: Intel

Trong khi đó, Intel theo đuổi phương án lắp chip trên tấm nền thủy tinh siêu tinh khiết. Thủy tinh không giúp tản nhiệt nhưng bảo đảm chip bán dẫn không bị hỏng khi kích thước tăng và năng lượng tiêu thụ ngày càng lớn.

Tấm đế thủy tinh cũng mang đến mật độ kết nối cao, 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. Hãng dự kiến ra mắt chip dùng đế thủy tinh siêu tinh khiết đầu tiên sau năm 2025.

Loại bỏ hoàn toàn silicon

Dự đoán về tương lai của ngành chip, các chuyên gia tin rằng một ngày nào đó chúng ta có thể loại bỏ hoàn toàn silicon trong vi mạch.

Ngoài kim cương và thủy tinh, một ứng cử viên tiềm năng khác là boron arsenide. Đây được biết đến là vật liệu tốt thứ ba trên thế giới về khả năng tản nhiệt.

Các con chip trong tương lai sẽ được loại bỏ hoàn toàn silicon trong vi mạch. Ảnh: Cseh Ioan/Alamy.

Hơn nữa, trong khi kim cương là chất cách điện thì boron arsenide là chất bán dẫn, giống như silicon. Như vậy, chất này có thể được sử dụng để tạo ra các vi mạch.

Đặc biệt, các tinh thể boron arsenide rất hiệu quả trong việc di chuyển xung quanh các giả hạt tích điện dương được gọi là “lỗ trống”. Điều này sẽ tạo ra những loại logic tính toán khả thi mà ngày nay không được sử dụng rộng rãi.

Chip làm từ boron arsenide được dự đoán sẽ mở ra kỷ nguyên mới cho ngành chip với những tiện ích chưa từng có như hiệu suất cực cao và khả năng tản nhiệt siêu tốc.

Kim Yên