Diamond Foundry, công ty chuyên sản xuất kim cương nhân tạo, vừa công bố tạo ra tấm wafer kim cương đơn tinh thể (SCD) đường kính 200 mm đầu tiên trên thế giới. Thành tựu này được xem là bước tiến đáng chú ý trong nỗ lực đưa kim cương nhân tạo vào lĩnh vực bán dẫn, đặc biệt là giải quyết vấn đề tản nhiệt trên các bộ xử lý AI ngày càng mạnh mẽ.
Kim cương có khả năng dẫn nhiệt đặc biệt tốt, với độ dẫn nhiệt được ước tính ít nhất gấp 5 lần đồng. Đây là đặc tính quan trọng trong bối cảnh các chip AI tiêu thụ ngày càng nhiều điện năng, kéo theo lượng nhiệt lớn và nguy cơ xuất hiện các điểm nóng cục bộ trong quá trình vận hành.
Tấm wafer mới của Diamond Foundry có kích thước 200 mm, tương đương loại wafer được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất bán dẫn thuộc những thế hệ công nghệ cũ. Điểm khác biệt nằm ở cấu trúc đơn tinh thể thay vì đa tinh thể như nhiều loại kim cương nhân tạo khác.
Việc chế tạo kim cương đơn tinh thể ở quy mô lớn vốn rất khó khăn, nhưng cấu trúc này cho phép vật liệu duy trì khả năng dẫn nhiệt vượt trội, đồng thời vẫn có đặc tính cách điện. Nhờ đó, kim cương đơn tinh thể được xem là vật liệu tiềm năng để hỗ trợ tản nhiệt cho chip AI, hạn chế tình trạng tập trung nhiệt tại một số khu vực trên bề mặt bán dẫn.
Diamond Foundry cũng đưa ra dự báo có thể sản xuất wafer kim cương đơn tinh thể đường kính 300 mm trước năm 2030. Đây là kích thước tương ứng với wafer được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất bán dẫn tiên tiến hiện nay. Tuy nhiên, mẫu wafer 200 mm mà công ty giới thiệu vẫn chưa được đánh bóng, đồng nghĩa sản phẩm còn cần trải qua thêm các công đoạn xử lý trước khi có thể đáp ứng yêu cầu của các nhà sản xuất chip.
Dù Diamond Foundry được thành lập vào năm 2012, công ty cho biết thành tựu này là kết quả của quá trình nghiên cứu kéo dài từ đầu những năm 2000. CEO Martin Roscheisen cho biết hàng trăm kỹ sư, nhà khoa học và kỹ thuật viên đã tham gia dự án, trải qua vô số thử nghiệm, thất bại, sáng chế và quá trình cải tiến thiết bị trong nhiều năm.
Ông cũng nhấn mạnh mục tiêu tạo ra kim cương đơn tinh thể kích thước lớn đã được theo đuổi suốt 25 năm bởi Stefan và Martin. Trước đây, nhiều người cho rằng không thể sản xuất loại vật liệu này ở quy mô như vậy. Việc hoàn thành wafer 200 mm hiện được xem là cơ sở để công ty hướng tới mục tiêu 300 mm trong tương lai.
Diamond Foundry không phải doanh nghiệp duy nhất nhìn thấy tiềm năng của kim cương nhân tạo trong lĩnh vực tản nhiệt bán dẫn. Năm 2024, Akash Systems đã nhận được 18,2 triệu USD từ chương trình CHIPS Act để phát triển vật liệu kết hợp Gallium Nitride với kim cương tổng hợp. Công ty tuyên bố giải pháp này có thể giúp giảm nhiệt độ tới 20 độ C.
Trong khi đó, De Beers Group, tập đoàn vốn nổi tiếng với hoạt động khai thác kim cương tại châu Phi, cũng đang phát triển vật liệu composite kim cương mạ đồng nhằm cải thiện hiệu quả tản nhiệt cho chip AI, hệ thống điện toán hiệu năng cao và các thiết bị GaN RF.
Frore Systems, công ty được biết đến với công nghệ tản nhiệt thể rắn, cũng đang nghiên cứu các tấm tản nhiệt chất lỏng tích hợp kim cương, hướng đến GPU AI thế hệ tiếp theo của Nvidia.
Những động thái này cho thấy kim cương nhân tạo đang được nhiều doanh nghiệp nghiên cứu như một hướng vật liệu mới cho hệ thống bán dẫn hiệu năng cao, trong bối cảnh bài toán kiểm soát nhiệt ngày càng trở thành thách thức lớn đối với ngành công nghiệp AI.
