文章核心观点 - 随着芯片小型化和性能提升，热量积聚形成热点已成为制约电子设备（尤其是高性能处理器、通信和电力电子器件）性能与可靠性的核心瓶颈 [2] - 斯坦福大学研究团队开发出一种低温（约400°C）生长多晶金刚石涂层并将其集成至芯片内部的技术，该技术能直接在发热点附近高效散热，从而显著降低器件温度并提升性能 [4][19] - 该金刚石散热技术已在氮化镓射频晶体管上验证成功，并展现出应用于先进CMOS芯片及3D堆叠架构的巨大潜力，获得了包括应用材料、三星、台积电在内的芯片行业的强烈兴趣与合作 [5][26][31] 芯片散热挑战的现状与根源 - 芯片纳米级晶体管高速切换产生热量，随着晶体管密度增加，散热空间不足，热量积聚形成比芯片其他部分高几十度的热点，迫使系统限制CPU/GPU性能以避免损坏 [2] - 高性能处理器功率密度要求不断提高，例如新款Nvidia GPU B300服务器的功耗将接近15千瓦，通信和电力电子领域也面临类似的热约束 [2] - 当前主流冷却策略（如散热器、风扇、液体冷却）存在局限：成本高、体积大、不适用于智能手机等设备，且难以应对3D堆叠芯片架构中从每一层有效散热的需求 [13] - 热量产生于半导体衬底表面附近的晶体管及其连接处，然后需穿过多层材料才能被带走，芯片材料本身导热性差是热量被困并形成热点的根本原因 [7][13] 金刚石作为散热材料的优势与集成突破 - 金刚石是地球上导热性能最强的材料之一，其热导率可达每米每开尔文2200至2400瓦，约为铜的六倍，同时具有电绝缘性，是理想的热电介质材料 [4][15] - 研究团队实现了在约400°C的低温下，直接在半导体器件顶部生长几微米厚的多晶金刚石涂层，此温度足以保护先进芯片内部精密的互连线不受损坏 [4][19] - 生长工艺的关键突破包括：在气体混合物中添加氧气以蚀除非金刚石碳沉积、促进形成大颗粒晶体以利于横向导热，以及实现可在器件侧面形成的涂层以适应3D结构 [19] 技术验证与性能提升效果 - 在氮化镓射频晶体管（HEMT）中集成金刚石涂层后，器件温度降低超过50°C，在特定案例中通道温度显著下降70°C，晶体管对X波段无线电信号的放大效果提升五倍 [5][24] - 低热边界电阻的发现是关键：金刚石与氮化硅界面处形成的碳化硅层充当了声子桥梁，实现了更高效的热传递，此发现也适用于硅材料 [22][26] - 针对3D堆叠CMOS芯片提出的“热支架”概念验证显示，结合金刚石散热器和铜质热柱，能将热点温度降低到未使用该结构时的十分之一 [27][29] 行业应用前景与产业化进展 - 该技术为解决3D堆叠芯片架构的热瓶颈提供了新途径，3D堆叠已用于AMD MI300系列AI芯片及Nvidia GPU的高带宽内存，其可行性取决于从每一层有效散热 [26] - 研究已获得芯片制造行业领先公司的关注与合作，包括与台积电建立合作，并通过联盟与应用材料、美光、三星等公司拓展新的合作机会 [5][31] - 该技术正通过美国国防高级研究计划局的Threads项目进行产业集成验证，旨在开发功率密度是现有器件6到8倍的X波段功率放大器，早期测试结果令人鼓舞 [31]