Diamond Foundry fait croître le premier disque de diamant monocristallin de 200 mm au monde
Le cristal monolithique vise à dissiper la chaleur des microprocesseurs de forte puissance et à faire progresser l'électronique de puissance
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Diamond Foundry a produit un disque de diamant monocristallin de 200 millimètres à l'état non poli, présentant le 6 novembre ce matériau comme le fruit de 25 ans de recherche. L'entreprise de San Francisco a développé ce cristal continu pour évacuer la chaleur des microprocesseurs de hautes performances, en particulier des processeurs effectuant des calculs intensifs d'intelligence artificielle. Mesurant 7,9 pouces de diamètre, l'échantillon monolithique constitue une invention technique majeure dans la synthèse du diamant artificiel.
Un réseau cristallin continu remplace les segments juxtaposés
La croissance de cristaux de diamant aux dimensions des semi-conducteurs s'est longtemps heurtée à de graves obstacles physiques. Les diamants naturels et synthétiques sont constitués d'atomes de carbone liés selon un réseau strict, et le moindre défaut dans cette grille interrompt la transmission de la chaleur et le flux d'électrons. Selon Interesting Engineering, les tentatives antérieures de production de grands substrats de diamant reposaient sur l'assemblage de cristaux plus petits ou sur l'emploi de disques polycristallins, qui contiennent des joints de grains internes piégeant la chaleur. Surmonter ces limites grâce à une plaquette monocristalline constitue une invention majeure pour l'industrie des semi-conducteurs.
L'échantillon de 200 mm créé par l'entreprise est une structure unique et continue, sans bords assemblés. Auparavant, Diamond Foundry fabriquait des disques de 100 mm par hétéroépitaxie du diamant, une méthode dans laquelle les cristaux de diamant croissent sur un matériau étranger sous-jacent tout en conservant un réseau ordonné. Si l'entreprise n'a pas précisé si le nouvel échantillon de 200 mm repose sur le même mécanisme de croissance, son directeur général, Martin Roscheisen, attribue cette réussite à la combinaison de progrès en physique des plasmas, en conception de réacteurs, en ingénierie cristalline et en chimie de la croissance. Il renvoie aux travaux fondateurs entamés il y a un quart de siècle par les chercheurs Stefan Gsell et Martin Fischer.
Gérer la chaleur dans les boîtiers de processeurs denses
La gestion thermique est devenue l'une des principales limites physiques du matériel informatique moderne. Les architectures de puces modernes densifient fortement les circuits électriques — en particulier dans les systèmes d'intelligence artificielle gourmands en énergie —, créant des points chauds localisés qui limitent les performances et dégradent les composants électroniques avec le temps. Le diamant monocristallin de haute pureté offre une conductivité thermique d'environ 2 000 watts par mètre-kelvin à température ambiante, plusieurs fois supérieure à celle du cuivre.
Grâce à ces performances thermiques, le diamant monocristallin peut servir de diffuseur de chaleur ou de substrat efficace directement sous les puces de silicium actives, comme le note Interesting Engineering. Le diamant possède également une large bande interdite d'environ 5,47 électronvolts. Cette large bande interdite rend le minéral adapté à l'électronique de puissance haute tension et haute fréquence, qui doit fonctionner dans des conditions électriques sévères sans claquage.
De l'échantillon brut à la plaquette de production
Le disque non poli actuel est un prototype de développement plutôt qu'un produit commercial fini prêt pour les salles blanches. Pour entrer dans les lignes de fabrication de puces, les industriels doivent polir le matériau brut, garantir une épaisseur uniforme sur les 7,9 pouces de diamètre et maintenir des densités de défauts extrêmement faibles. Le dopage du diamant par des impuretés pour contrôler sa conductivité électrique reste également difficile, ce qui cantonne le diamant à un rôle de matériau thermique d'accompagnement plutôt que de substitut direct au silicium.
Fort de son portefeuille de brevets propriétaires, Diamond Foundry indique que la taille de 200 mm rend prévisible une future plaquette de 300 millimètres, sans toutefois communiquer de date de sortie ni de données de fabrication pour ce diamètre. Pour augmenter sa production industrielle, l'entreprise prépare en Espagne une usine de 2,77 milliards de dollars soutenue par le règlement européen sur les puces (European Chips Act), afin d'approvisionner les fonderies commerciales de semi-conducteurs en substrats de diamant continus.
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