访谈：为什么钻石可能是计算机最好的朋友

我们最近与 Diamond Quanta 的 Adam Khan 进行了座谈，该公司希望用金刚石制成的芯片取代硅芯片。我们讨论了这个闪亮想法的原因、它带来的挑战以及该技术的影响。

由于硅芯片的出现，过去的半个世纪见证了电子和计算机的巨大发展。根据摩尔定律，单个芯片上的晶体管数量大约每两年翻一番，计算机功率的相应增加和价格的下降也相应增加。结果是我们这个手持超级计算机时代、越来越普遍的人工智能、互联网以及所有其他让我们这些记得打孔卡的人感觉非常老的东西。

然而，硅不仅达到了其技术的极限，而且也达到了物理定律的极限。芯片组件已经变得如此之小，以至于量子效应等问题开始出现，以至于硅芯片必将受到收益递减法则的影响。

为了克服这个问题，Diamond Quanta 正在努力将硅换成钻石。这似乎像是用纯金代替你家中的塑料，但这种看似疯狂的事情是有方法的——不仅承诺提供更先进的计算机，而且承诺工作效率更高，甚至可以在高温环境中运行，这让现代芯片非常不满。

我们请 Adam Khan 向我们解释一下。

在我们开始之前，您能简单介绍一下您自己和您的公司吗？

我是 Adam Khan，创始人兼首席执行官。我在实验室培育钻石技术领域工作了 15 年多一点。这实际上是我的第二家 Diamond 半导体初创公司。第一家是 Akhan Semiconductor，专注于薄膜纳米晶金刚石。

就我的背景而言：我拥有伊利诺伊大学芝加哥分校的物理学和电气工程本科学位，并在斯坦福大学的纳米制造设施完成了研究生工作，专注于微物理学。我以前的公司开发了大约 36 项已颁发的美国专利，主要集中在金刚石光学、机械涂层和半导体器件方面。

去年，即 2023 年 10 月，我开始探索金刚石技术的新方法，特别是在量子应用和半导体材料方面。我确定并解决了与金刚石半导体中的掺杂相关的一个基本问题，随着添加更多的掺杂剂，掺杂通常会降低性能。通过专注于电荷传输和共掺杂方法，我们取得了重大突破。我们已经开始发布白皮书并与客户互动以验证我们的技术。

所以我们谈论的是金刚石半导体。现在，我们知道什么是半导体，但什么是金刚石半导体呢？它是如何运作的？

我们认为这是半导体的第三次浪潮。第一个是 1940 年代后期的锗，它从基于真空的系统过渡到晶体管。锗存在发热问题，这导致了硅的采用。硅彻底改变了该行业，但现在由于摩尔定律定义的热量和小型化而面临限制。

金刚石是一种极端材料，具有无与伦比的散热和快速的电子运动。这不是天然钻石，而是由甲烷前驱体材料制成的实验室培育钻石。它为延续硅的传统提供了一条途径，大大提高了散热和性能。

是什么赋予了金刚石这种散热能力？是其中的碳、结晶性质，还是其他东西？

正式术语是导热性，它本质上是指传热——热量如何从一种介质移动到另一种介质。Diamond 的非凡能力源于其结构。金刚石中的原子以共价结构非常紧密地键合在一起，这是我们所知道的最强键类型。

由于原子非常紧密地堆积，晶体结构内的振动（称为声子）可以非常有效地散热。金刚石的导热性比硅高约 20 倍，非常适合高温应用。

你说这个想法已经存在了大约 20 年？

是的，实验室培育钻石的历史可以追溯到二战之后，第一批系统由通用电气制造。这些使用高压、高温的砧座。后来，化学气相沉积 （CVD） 技术出现，允许从气体前驱体中生长出钻石。

该工艺在 2000 年代初期发展势头强劲，从而能够在大型晶圆中生长金刚石。例如，在我身后是一个 12 英寸的金刚石晶片，与硅晶片的大小相同。虽然我们已经掌握了为宝石使用渲染钻石材质的技巧，但将其用于半导体应用一直是一个挑战。金刚石本质上是绝缘的，因此难点在于添加掺杂剂以使其导电，而不会降低材料质量或将其变成石墨。

使它成为一项实用技术的障碍是什么？

主要挑战是实现金刚石内的电荷传输。要成为成功的半导体，金刚石的性能必须优于硅和其他材料，如碳化硅或氮化镓。虽然金刚石的散热性得到广泛认可，但实现更好的电荷传输一直是瓶颈。

我们的重点是掺杂 - 在金刚石结构中添加外来原子以提高导电性 - 而不会将金刚石的结构坍缩成石墨。尽管存在这一挑战，但金刚石的高功率电导、快速开关速度和卓越的热管理等特性使其成为终极宽带隙半导体。

除了热传导之外，与传统技术相比，金刚石半导体的性能如何？

Diamond 在多个参数上都优于硅和其他半导体，而不仅仅是散热。它可以处理最高频率、最高功率电导和最快的开关速度。关键是开发在不降低这些特性的情况下添加掺杂剂的工艺。

目前，我们正在高温汽车和数据中心等应用的功率器件结构中实现这一点。Diamond 能够在超过 600 °C （1,112 °F） 的温度下运行而不会降低性能，这改变了游戏规则，尤其是在冷却系统负担沉重的环境中，例如电动汽车。

您是否看到这项技术有更广泛的消费类应用？它能帮助我们克服摩尔定律的局限性吗？

是的，一点没错。基于金刚石的芯片最终可用于高性能 GPU 和逻辑应用。然而，当务之急是功率半导体以完善该技术。例如，在电动汽车中，金刚石可以取代沉重的冷却系统，减轻车辆重量并增加续航里程。

在未来 5 到 10 年内，我们看到金刚石进入更广泛的应用，包括高温数据中心、航空航天，并最终成为消费电子产品。

我们来谈谈量子计算。钻石如何融入该领域？

Diamond 由于其独特的结构，特别是氮空位 （NV） 中心，在量子计算中起着关键作用。当氮添加到金刚石中时，它会与空位（缺失的碳原子）形成配对，从而形成量子比特或量子比特。这些量子比特表现出较长的相干时间，这意味着它们可以长时间保持其量子状态。

与其他材料相比，金刚石能够实现更快的电荷传播和更好的量子比特相干性。当前大约 40% 的量子系统使用 Diamond 作为平台。我们的共掺杂方法进一步增强了这一点，允许在不降低性能的情况下使用更多的量子比特。这使金刚石成为推进量子计算的关键材料。

实验室培育钻石的成本是否下降到足以使其可行？

是的，非常戏剧性。由于实验室培育钻石生产的进步，现在的成本与碳化硅和氮化镓相当。虽然钻石传统上会让人联想到昂贵的宝石，但这是针对技术优化的工业级钻石。例如，你看到的我身后的晶圆比开采的金刚石更具成本效益。

最后，您认为这项技术在 10 年后会如何发展？

10 年后，我们设想钻石将像今天的硅一样无处不在。它可能会从高性能应用（数据中心、汽车和航空航天）开始，但随着时间的推移，它将渗透到消费电子和计算系统。金刚石的卓越性能使其成为下一波半导体技术浪潮的必然趋势。