Diamond Foundry realizza il primo disco in diamante monocristallino da 200 mm al mondo
Il cristallo monolitico punta a dissipare il calore nei microchip ad alta potenza e a far progredire l'elettronica di potenza
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Diamond Foundry ha prodotto un disco in diamante monocristallino da 200 millimetri allo stato grezzo, presentando il materiale il 6 novembre come risultato di 25 anni di ricerca. L'azienda di San Francisco ha sviluppato il cristallo continuo per aiutare a sottrarre calore ai microchip ad alte prestazioni, in particolare ai processori impegnati in calcoli intensivi di intelligenza artificiale. Con un diametro di 7,9 pollici, il campione monolitico rappresenta un'importante invenzione tecnica nella sintesi del diamante sintetico.
Un reticolo cristallino continuo al posto dei segmenti affiancati
Crescere cristalli di diamante alle dimensioni dei semiconduttori ha a lungo rappresentato un ostacolo fisico severo. I diamanti naturali e sintetici sono costituiti da atomi di carbonio legati in un reticolo rigoroso, e qualsiasi difetto in quella griglia interrompe la trasmissione del calore e il flusso degli elettroni. Secondo quanto riportato da Interesting Engineering, i tentativi precedenti di produrre substrati di diamante di grandi dimensioni si basavano sull'assemblaggio di cristalli più piccoli o sull'uso di dischi policristallini, che contengono confini di grano interni che intrappolano il calore. Superare questi limiti con un wafer monocristallino rappresenta un'invenzione di primo piano per l'industria dei semiconduttori.
Il campione da 200 mm realizzato dall'azienda è una struttura unica e continua, senza bordi giuntati. In precedenza, Diamond Foundry produceva dischi da 100 mm usando l'eteroepitassia del diamante, un metodo in cui i cristalli di diamante crescono su un materiale estraneo sottostante mantenendo un reticolo ordinato. Sebbene l'azienda non abbia precisato se il nuovo esemplare da 200 mm si basi sullo stesso meccanismo di crescita, l'amministratore delegato Martin Roscheisen ha attribuito il risultato a progressi combinati nella fisica del plasma, nella progettazione dei reattori, nell'ingegneria dei cristalli e nella chimica della crescita. Ha indicato il lavoro fondamentale avviato un quarto di secolo fa dai ricercatori Stefan Gsell e Martin Fischer.
Gestire il calore nei package densi dei processori
La gestione termica è diventata uno dei principali limiti fisici per l'hardware di calcolo moderno. Le architetture dei chip moderni stipano i circuiti elettrici in spazi ristretti — soprattutto nei sistemi di intelligenza artificiale avidi di energia — producendo punti caldi localizzati che limitano le prestazioni e degradano nel tempo i componenti elettronici. Il diamante monocristallino ad alta purezza offre una conduttività termica di circa 2.000 watt per metro-kelvin a temperatura ambiente, diverse volte superiore a quella del rame.
Grazie a queste prestazioni termiche, il diamante monocristallino può funzionare come efficace diffusore di calore o substrato direttamente sotto i die di silicio attivi, come osservato da Interesting Engineering. Il diamante possiede anche un'ampia banda proibita, pari a circa 5,47 elettronvolt. Questa ampia banda proibita rende il minerale adatto all'elettronica di potenza ad alta tensione e alta frequenza, che deve operare in condizioni elettriche severe senza cedere.
Dal campione grezzo al wafer di produzione
L'attuale disco non lucidato serve come prototipo di sviluppo più che come prodotto commerciale finito pronto per le camere bianche. Per entrare nelle linee di fabbricazione dei chip, i produttori devono lucidare il materiale grezzo, garantire uno spessore uniforme su tutto il diametro di 7,9 pollici e mantenere densità di difetti estremamente basse. Anche il drogaggio del diamante con impurità per controllarne la conduttività elettrica resta difficile, il che lascia il diamante come materiale termico complementare anziché come sostituto diretto del silicio.
Sostenuta dal proprio portafoglio brevetti proprietario, Diamond Foundry ha riferito che la dimensione da 200 mm rende prevedibile un futuro wafer da 300 millimetri, anche se non ha comunicato una data di lancio né dati di produzione per quel diametro. Per aumentare la produzione industriale, l'azienda sta preparando in Spagna un impianto produttivo da 2,77 miliardi di dollari sostenuto dall'European Chips Act (il regolamento europeo sui semiconduttori), con l'obiettivo di fornire substrati di diamante continuo alle fonderie commerciali di semiconduttori.
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