الماس‌های آزمایشگاهی به راهکاری تازه برای خنک‌سازی تراشه‌ها تبدیل می‌شوند
به گزارش خبرگزاری آنا؛ افزایش توان پردازشی تراشه‌های هوش مصنوعی، خنک نگه داشتن آن‌ها را به یکی از چالش‌های مهم شرکت‌های سازنده نیمه‌هادی و مراکز داده تبدیل کرده است. پردازنده‌های پیشرفته هنگام اجرای محاسبات سنگین، انرژی الکتریکی زیادی مصرف می‌کنند که بخش قابل توجهی از آن به گرما تبدیل می‌شود و اگر این حرارت به‌سرعت از تراشه خارج نشود، عملکرد دستگاه کاهش پیدا می‌کند. شرکت دایموند فاندری (Diamond Foundry) که در زمینه تولید الماس آزمایشگاهی فعالیت دارد، اکنون موفق شده صفحه‌ای دایره‌ای از الماس تک‌بلور با قطر ۲۰۰ میلی‌متر تولید کند؛ ابعادی که با اندازه ویفر‌های مورد استفاده در برخی خطوط تولید نیمه‌هادی برابری می‌کند. ویفر در صنعت تراشه‌سازی به صفحه‌ای نازک و معمولاً دایره‌ای گفته می‌شود که در مراحل مختلف تولید قطعات الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. ساخت چنین صفحه بزرگی از الماس تک‌بلور پس از حدود ۲۵ سال تلاش برای توسعه این فناوری، گام مهمی در مسیر استفاده صنعتی از ماده‌ای محسوب می‌شود که تاکنون تولید نمونه‌های بزرگ و یکپارچه آن بسیار دشوار بوده است.
چرا الماس می‌تواند تراشه‌ها را بهتر خنک کند؟
الماس برخلاف تصور رایج، تنها ماده‌ای گران‌قیمت برای ساخت زیورآلات نیست و ویژگی‌های فیزیکی آن می‌تواند در صنایع پیشرفته نیز کاربرد داشته باشد. یکی از مهم‌ترین این ویژگی‌ها، توانایی بسیار بالای الماس در انتقال گرماست؛ به‌طوری‌که رسانایی گرمایی آن دست‌کم ۵ برابر بیشتر از مس برآورد می‌شود. مس در حال حاضر یکی از مواد اصلی مورد استفاده در ساخت قطعات خنک‌کننده رایانه‌ها و سرورهاست و وظیفه دارد حرارت تولیدشده را از پردازنده دریافت کند و به بخش‌های دیگر سامانه خنک‌کننده انتقال دهد. الماس می‌تواند همین وظیفه را با کارایی بیشتری انجام دهد و گرمای متمرکز در بخش‌های کوچک تراشه را سریع‌تر به اطراف منتقل کند. این قابلیت برای پردازنده‌های هوش مصنوعی اهمیت ویژه‌ای دارد، زیرا تراشه‌های قدرتمند در زمان اجرای محاسبات پیچیده ممکن است در برخی نقاط خود بسیار داغ‌تر از بخش‌های دیگر شوند و همین نقاط داغ، عملکرد کلی پردازنده را محدود کنند.
ویژگی مهم محصول جدید دایموند فاندری به ساختار تک‌بلور آن مربوط می‌شود. الماس‌های مصنوعی را می‌توان با ساختار‌های متفاوتی تولید کرد، اما در نمونه‌های چندبلوری، ماده از تعداد زیادی بلور کوچک تشکیل شده است که مرز میان آن‌ها می‌تواند انتقال حرارت را تحت تأثیر قرار دهد. الماس تک‌بلور در مقابل، ساختار بلوری یکپارچه‌ای دارد و به همین دلیل برای انتقال مؤثر گرما گزینه مناسب‌تری محسوب می‌شود. نکته مهم دیگر این است که الماس با وجود رسانایی گرمایی بسیار بالا، برخلاف مس رسانای الکتریکی مناسبی نیست و در شرایط معمول نقش عایق برق را ایفا می‌کند. این ویژگی به مهندسان اجازه می‌دهد از توانایی انتقال حرارت الماس در نزدیکی قطعات حساس الکترونیکی استفاده کنند، بدون آنکه مانند فلزات نگران ایجاد مسیر ناخواسته برای عبور جریان برق باشند. البته عملکرد نهایی چنین ماده‌ای به نحوه اتصال آن به تراشه و طراحی سایر بخش‌های سامانه خنک‌کننده نیز بستگی دارد.
ساخت الماس بزرگ و یکپارچه پس از ۲۵ سال تلاش
تولید الماس مصنوعی در ابعاد کوچک موضوع تازه‌ای نیست، اما ساخت نمونه‌های بزرگ تک‌بلور یکی از چالش‌های مهم این صنعت بوده است. مشکل اصلی آن است که هنگام رشد بلور الماس، افزایش ابعاد می‌تواند حفظ یکنواختی ساختار و جلوگیری از ایجاد نقص‌های بلوری را دشوارتر کند. برای کاربرد‌های صنعتی نیز تنها بزرگ بودن صفحه کافی نیست و ماده تولیدشده باید از کیفیت مناسبی برخوردار باشد تا بتوان آن را با تجهیزات دقیق نیمه‌هادی به کار گرفت. دایموند فاندری که در سال ۲۰۱۲ تأسیس شده، اعلام کرده است صد‌ها مهندس، دانشمند و تکنسین در توسعه فناوری موردنیاز برای ساخت ویفر جدید مشارکت داشته‌اند. مارتین روشایزن، مدیرعامل این شرکت، دستیابی به ویفر ۲۰۰ میلی‌متری را نتیجه سال‌ها آزمایش، اصلاح تجهیزات، طراحی روش‌های تازه و تلاش برای برطرف کردن محدودیت‌هایی توصیف کرده که پیش‌تر ساخت الماس تک‌بلور در چنین ابعادی را تقریباً غیرممکن جلوه می‌دادند.
البته ویفر معرفی‌شده هنوز محصولی آماده برای نصب در پردازنده‌های تجاری نیست و مراحل دیگری برای استفاده صنعتی از آن باقی مانده است. نمونه نمایش‌داده‌شده سطح پرداخت‌نشده‌ای دارد و باید فرایند‌های تکمیلی را پشت سر بگذارد تا از نظر صافی، یکنواختی و کیفیت سطح برای کاربرد‌های دقیق مناسب شود. در صنعت نیمه‌هادی، حتی ناهمواری‌های بسیار کوچک یا نقص‌های ساختاری می‌توانند بر کیفیت اتصال مواد و عملکرد قطعات تأثیر بگذارند؛ بنابراین تبدیل یک نمونه آزمایشگاهی موفق به محصولی که بتوان آن را به‌صورت گسترده تولید کرد، به بررسی‌های بیشتری نیاز دارد. هزینه ساخت، امکان تولید تعداد زیادی ویفر با کیفیت یکسان و سازگاری ماده جدید با روش‌های بسته‌بندی تراشه‌ها نیز از جمله موضوعاتی هستند که باید بررسی شوند. به همین دلیل، هرچند ساخت نخستین ویفر ۲۰۰ میلی‌متری پیشرفت مهمی به شمار می‌رود، هنوز نمی‌توان زمان مشخصی برای استفاده گسترده از آن در پردازنده‌های هوش مصنوعی تعیین کرد.
ویفر‌های ۳۰۰ میلی‌متری هدف بعدی هستند
دایموند فاندری پس از دستیابی به ویفر ۲۰۰ میلی‌متری، تولید نمونه بزرگ‌تر با قطر ۳۰۰ میلی‌متر را هدف بعدی خود قرار داده و پیش‌بینی کرده است دستیابی به این اندازه تا پیش از سال ۲۰۳۰ امکان‌پذیر باشد. اهمیت این هدف به آن است که ویفر‌های ۳۰۰ میلی‌متری در خطوط پیشرفته تولید تراشه کاربرد گسترده‌ای دارند و ساخت الماس تک‌بلور در ابعاد مشابه می‌تواند استفاده از این ماده را در فرایند‌های صنعتی آسان‌تر کند. با این حال، هدف اصلی از توسعه چنین ویفر‌هایی جایگزین کردن الماس با سیلیکون در تمام بخش‌های پردازنده نیست، بلکه استفاده از آن برای انتقال مؤثرتر گرما و بهبود مدیریت حرارت تراشه‌ها در نظر گرفته شده است. برای مثال، در صورت آماده شدن این فناوری برای تولید تجاری، می‌توان از لایه‌ها یا قطعات مبتنی بر الماس در ساختار‌های مدیریت حرارت استفاده کرد تا گرمای تولیدشده در پردازنده سریع‌تر به سامانه خنک‌کننده منتقل شود. چنین کاربردی می‌تواند به‌ویژه برای تراشه‌هایی مفید باشد که افزایش توان پردازشی آن‌ها با محدودیت دما روبه‌رو شده است.
دایموند فاندری تنها مجموعه‌ای نیست که روی استفاده از الماس در تجهیزات الکترونیکی کار می‌کند. شرکت Akash Systems در سال ۲۰۲۴ حدود ۱۸٫۲ میلیون دلار حمایت مالی در چارچوب قانون CHIPS آمریکا دریافت کرد تا فناوری ترکیب نیترید گالیم با الماس مصنوعی را توسعه دهد؛ فناوری‌ای که به ادعای این شرکت می‌تواند دمای قطعات را تا ۲۰ درجه سانتی‌گراد کاهش دهد. گروه دی‌بیرز نیز که بیشتر به فعالیت در صنعت الماس شناخته می‌شود، در حال توسعه ماده‌ای ترکیبی از مس و الماس است تا از ویژگی‌های هر ۲ ماده برای انتقال بهتر حرارت استفاده کند. شرکت Frore Systems نیز به سراغ صفحات خنک‌کننده مایع حاوی الماس رفته است که برای پردازنده‌های گرافیکی نسل جدید هوش مصنوعی انویدیا طراحی شده‌اند. این شرکت‌ها روش‌های متفاوتی را دنبال می‌کنند، اما هدف مشترک آن‌ها انتقال سریع‌تر گرما از قطعات الکترونیکی و کاهش محدودیت‌های ناشی از افزایش مصرف انرژی است.
اهمیت چنین فناوری‌هایی زمانی روشن‌تر می‌شود که عملکرد تراشه‌های هوش مصنوعی در مراکز داده را در نظر بگیریم. این پردازنده‌ها معمولاً برای مدت طولانی و با توان پردازشی بالا فعالیت می‌کنند و در صورت افزایش بیش از حد دما، ممکن است برای جلوگیری از آسیب دیدن قطعات، به‌صورت خودکار سرعت خود را کاهش دهند. در چنین شرایطی، حتی وجود یک تراشه بسیار قدرتمند نیز تضمین نمی‌کند که بتوان به‌طور مداوم از تمام ظرفیت پردازشی آن استفاده کرد. استفاده از موادی با رسانایی گرمایی بالاتر می‌تواند به کاهش تجمع حرارت کمک کند و فشار واردشده بر سامانه‌های خنک‌کننده را کاهش دهد. با وجود این، الماس به‌تنهایی جایگزین تمام تجهیزات خنک‌کننده نخواهد شد و همچنان به روش‌هایی برای انتقال حرارت به بیرون از سرور نیاز است. دستاورد جدید دایموند فاندری از این جهت اهمیت دارد که یکی از موانع اصلی استفاده از الماس تک‌بلور، یعنی تولید آن در ابعاد بزرگ، را پشت سر گذاشته و امکان توسعه راهکار‌های تازه برای خنک‌سازی تراشه‌های آینده را بیش از گذشته فراهم کرده است.
انتهای پیام/