Khi cuộc đua AI ngày càng khốc liệt, mức tiêu thụ điện năng của chip GPU cao cấp-tiếp tục tăng mạnh. Mức tiêu thụ điện năng của thẻ đơn-H100 của NVIDIA đạt 700 W, dòng Blackwell mới đẩy mức đó lên 1000–1400 W và GPU kiến trúc Vera Rubin mới nhất có mức tiêu thụ điện năng cao nhất vượt quá 2300 W. Mức điện năng cực cao như vậy đã trở thành nút thắt cốt lõi cho việc phát triển chip AI thế hệ tiếp theo.
Hiện nay, làm mát bằng chất lỏng và làm mát nhúng được áp dụng rộng rãi trong ngành để quản lý nhiệt ở cấp độ máy chủ. Tuy nhiên, những phương pháp này không thể giải quyết được vấn đề cơ bản về tích tụ nhiệt cục bộ ở gần chip. Các điểm nóng dai dẳng dẫn đến điều chỉnh tần số và suy giảm hiệu suất, hạn chế nghiêm trọng khả năng của chip AI cao cấp. Công nghệ tản nhiệt dựa trên kim cương đã nổi lên như một phương pháp hiệu quả để vượt qua thách thức này.
Một quan niệm sai lầm phổ biến trên thị trường là ưu điểm chính của kim cương chỉ là tính dẫn nhiệt cao. Trên thực tế, khả năng cạnh tranh cốt lõi của kim cương nằm ở khả năng kép của nó: tính dẫn nhiệt cực cao kết hợp với khả năng giãn nở nhiệt tuyệt vời phù hợp với vật liệu chip-sự kết hợp mà các vật liệu truyền thống như đồng, bạc và cacbua silic không thể dễ dàng đạt được.
Dữ liệu quan trọng cho thấy kim cương đơn tinh thể CVD có độ dẫn nhiệt vượt quá 2000 W/(m·K) và các phiên bản tinh khiết đồng vị vượt quá 3000 W/(m·K)-gấp khoảng năm lần so với đồng thông thường. Điều quan trọng hơn nữa là kim cương có khả năng tương thích nhiệt vượt trội: hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của nó chỉ là 1,0–1,1 ppm/K, gần giống với 2,6 ppm/K của silicon, dẫn đến chênh lệch nhiệt chỉ 1,5 ppm/K. Ngược lại, đồng, thường được sử dụng trong công nghiệp, có CTE là 16,5–17 ppm/K, không tương xứng với silicon khoảng 14 ppm/K-cao hơn kim cương.
Các chip AI hiện tại thường áp dụng quy trình xếp chồng 2,5D và 3D, tập trung nguồn nhiệt dày đặc giữa các lớp và làm trầm trọng thêm nhiễu xuyên âm nhiệt. Các cấu trúc làm từ đồng, có độ lệch nhiệt lớn, trải qua quá trình giãn nở và co lại liên tục trong chu trình nhiệt độ lặp đi lặp lại, dễ gây mỏi mối hàn và nứt bề mặt-làm ảnh hưởng đáng kể đến độ tin cậy và tuổi thọ của chip. Diamond, nhờ độ lệch nhiệt rất thấp, về cơ bản làm giảm căng thẳng nhiệt tại các giao diện chip và tránh rủi ro hỏng hóc đóng gói, khiến nó phù hợp tốt với xu hướng phát triển chip AI cao cấp.
Kim cương đa tinh thể đạt được độ dẫn nhiệt 1000–2200 W/(m·K) với cùng CTE như kim cương đơn tinh thể và có thể được sản xuất ở kích thước lớn với chi phí thấp hơn, khiến kim cương này phù hợp để triển khai ở quy mô lớn làm bộ tản nhiệt trong máy chủ AI. Vật liệu tổng hợp kim cương-đồng cung cấp độ dẫn nhiệt 500–650 W/(m·K), với CTE có thể điều chỉnh và khả năng gia công tốt-một giải pháp tiết kiệm chi phí giúp giải quyết vấn đề nan giải truyền thống là "độ dẫn nhiệt cao nhưng khả năng tương thích chip kém".
Bất chấp những lợi thế vật chất vượt trội này, việc áp dụng công nghiệp vẫn phải đối mặt với hai thách thức kỹ thuật cốt lõi.
Đầu tiên, khả năng chịu nhiệt bề mặt. Có một quan niệm sai lầm phổ biến rằng bất kỳ vật liệu nào liên quan đến kim cương đều tự động mang lại khả năng làm mát tốt hơn gấp 5 lần so với đồng. Trên thực tế, quá trình liên kết kém có thể tạo ra điện trở nhiệt bề mặt rất cao, làm mất đi tính dẫn điện vượt trội vốn có của kim cương và làm suy yếu nghiêm trọng hiệu suất tản nhiệt. Thứ hai, gia công siêu chính xác và kết hợp bề mặt. Độ cứng cực cao của kim cương đòi hỏi phải có thiết bị và quy trình chuyên dụng cho tất cả các bước chính xác, nâng cao rào cản xử lý. Hơn nữa, liên kết bề mặt yếu giữa kim cương và đồng đòi hỏi các kỹ thuật sửa đổi bề mặt như lớp phủ titan hoặc vonfram để đạt được sự kết hợp ổn định và đảm bảo hoạt động đáng tin cậy lâu dài.
Mức tiêu thụ điện năng của chip AI hiện tại đang tăng với tốc độ "gấp ba lần trong ba năm" và việc áp dụng rộng rãi tính năng xếp chồng 3D đã khiến sự tích tụ nhiệt giữa các lớp và các điểm nóng cục bộ ngày càng nổi bật. Những điểm nóng này là nguyên nhân chính dẫn đến suy giảm hiệu suất và buộc phải giảm tần số. Điều quan trọng là phải làm rõ rằng việc truyền nhiệt bằng kim cương và làm mát bằng chất lỏng không phải là giải pháp thay thế mà là giải pháp bổ sung: kim cương có tác dụng làm phẳng các dòng nhiệt cục bộ cực độ và loại bỏ sự tích tụ điểm nóng-giải quyết nồng độ nhiệt ở điểm giao nhau gần-trong khi làm mát bằng chất lỏng sẽ loại bỏ nhiệt lan tỏa đồng đều khỏi hệ thống, hoàn thành quá trình loại bỏ nhiệt ở đầu xa.
Chuỗi công nghiệp tản nhiệt kim cương trong nước cho thấy xu hướng mạnh về nguyên liệu thô ở thượng nguồn nhưng lại yếu tương đối ở các quy trình cốt lõi ở hạ nguồn. Trong sự tăng trưởng kim cương tổng hợp ở thượng nguồn, năng lực kỹ thuật của Trung Quốc đối với kim cương đa tinh thể diện tích lớn ngang bằng hoặc thậm chí vượt trội hơn ở một số chỉ số so với các đối tác nước ngoài. Tuy nhiên, vẫn còn những lỗ hổng trong các công nghệ chủ chốt ở hạ nguồn như liên kết trực tiếp không hàn ở cấp độ wafer và kiểm soát quy trình có độ bền nhiệt thấp chính xác.
Về mặt chi phí, mức tiêu thụ điện năng cao của thiết bị MPCVD là áp lực chi phí chính cho sản xuất hàng loạt. Để giải quyết vấn đề này, các công ty hàng đầu trong nước như SF Diamond, Huanghe Whirlwind và Huifeng Diamond đang xây dựng năng lực sản xuất một cách chiến lược ở những khu vực có giá điện thấp như Tân Cương và Nội Mông, tận dụng nguồn điện giá rẻ, thiết bị sản xuất buồng lớn và phát triển quy trình độc quyền để liên tục giảm chi phí sản xuất.
Nhìn chung, trước xu hướng tiêu thụ điện năng ngày càng tăng trong chip AI, vật liệu tản nhiệt bằng đồng truyền thống đã đạt đến giới hạn hiệu suất vật lý và khó có thể đáp ứng nhu cầu của chip cao cấp thế hệ tiếp theo. Diamond, với sự kết hợp độc đáo giữa độ dẫn nhiệt cực cao và độ không tương xứng nhiệt thấp, nổi bật như một giải pháp quản lý nhiệt hiệu quả cho các chip AI tiên tiến.