访谈：为什么钻石可能是计算机最好的朋友？

最近，NewAtlas与DiamondQuanta公司的亚当-汗（AdamKhan）进行了会谈，包括萌发这种想法的原因、它所带来的挑战以及该技术的影响。在过去的半个世纪里，由于硅芯片的出现，电子和计算机发生了翻天覆地的变化。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，计算机的性能也相应提高，价格下降。这就是我们现代的手持超级计算机时代、日益普及的人工智能、互联网，以及所有其他让我们这些还记得打卡机的人感到非常老旧的东西。

然而，硅技术正在达到其技术极限和物理定律的极限。芯片元件变得如此之小，以至于量子效应等问题开始出现，以至于硅芯片将不可避免地受到收益递减法则的影响。

为了克服这一问题，DiamondQuanta正在努力将硅换成钻石。这看起来就像把家里的塑料换成了纯金，但这种看似疯狂的做法其实是有道理的--它不仅能带来更先进的计算机，还能带来工作效率更高的计算机，甚至还能在高温环境下运行，这让现代芯片相形见绌。

我们请亚当-汗为我们解释一下。

在我们开始之前，您能介绍一下您自己和贵公司吗？

我是亚当-汗，公司创始人兼首席执行官。我在实验室生长钻石技术领域已有15年多一点的经验。这实际上是我的第二家金刚石半导体创业公司。第一家是AkhanSemiconductor，专注于薄膜纳米晶钻石。

至于我的背景：我本科毕业于芝加哥伊利诺伊大学物理系和电子工程系，研究生就读于斯坦福大学纳米制造设施，主要研究微物理。我的前一家公司开发了约36项美国专利，主要集中在钻石光学、机械涂层和半导体器件领域。

去年，也就是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。我发现并解决了一个与金刚石半导体中掺杂有关的基本问题，即随着掺杂剂的增加，性能通常会下降。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，并与客户接触，以验证我们的技术。

我们正在讨论钻石半导体。现在，我们知道半导体是什么，但钻石半导体是什么？它是如何工作的？

我们认为这是半导体的第三次浪潮。第一次是20世纪40年代末的锗，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。硅给整个行业带来了革命性的变化，但由于摩尔定律所定义的热量和微型化，硅现在面临着限制。

作为一种极端材料，金刚石具有无与伦比的散热性能和快速电子运动能力。这不是天然金刚石，而是用甲烷前驱体材料在实验室培育出的金刚石。它为继承硅的传统提供了一条途径，并大大提高了散热和性能。

是什么赋予了钻石这种散热能力？是其中的碳元素、结晶性质，还是其他原因？

正式的术语是导热性，主要指热传导--热量如何从一种介质转移到另一种介质。钻石的非凡能力源于它的结构。钻石中的原子以共价结构非常紧密地结合在一起，这是我们所知的最坚固的结合类型。

由于原子紧密结合，晶体结构内的振动（称为声子）可以极其有效地散热。金刚石的导热性比硅好20倍，因此非常适合高热应用。

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第二次世界大战之后，第一套系统是由通用电气公司创建的。这些系统使用的是高压高温砧。后来，出现了化学气相沉积（CVD）技术，使金刚石可以从气体前驱体中生长出来。

这种工艺在21世纪初获得了巨大的发展势头，从而能够在大型晶片上生长金刚石。例如，在我身后是一块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将金刚石材料用于宝石用途的方法，但将其用于半导体应用却一直是个挑战。金刚石本质上是绝缘的，因此困难在于如何添加掺杂剂使其导电，同时又不使材料降解或变成石墨。

使这项技术实用化的障碍是什么？

主要的挑战是在金刚石内部实现电荷传输。要成为一种成功的半导体，金刚石的性能必须优于硅以及碳化硅或氮化镓等其他材料。虽然金刚石的散热性能已得到广泛认可，但实现更好的电荷传输一直是瓶颈所在。

我们的工作重点是掺杂--在金刚石结构中添加外来原子以提高导电性--而不使金刚石结构坍塌成石墨。尽管存在这一挑战，但金刚石的特性，如高功率传导、快速开关速度和卓越的热管理，使其成为终极宽带隙半导体。

除热传导外，金刚石半导体与传统技术相比表现如何？

不仅在散热方面，金刚石在多个参数上都优于硅和其他半导体。它可以处理最高的频率、最高的功率传导和最快的开关速度。关键在于开发添加掺杂剂而不降低这些性能的工艺。

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目标。金刚石能够在600°C（1112°F）以上的温度下工作而不降低性能，这改变了游戏规则，尤其是在电动汽车等冷却系统负担很重的环境中。

您认为这项技术会有更广泛的消费应用吗？它能否帮助我们克服摩尔定律的限制？

当然可以。基于金刚石的芯片最终可用于高性能图形处理器和逻辑应用。不过，目前的重点是功率半导体，以使技术更加成熟。例如，在电动汽车中，金刚石可以取代笨重的冷却系统，减轻汽车重量，增加续航里程。

未来五到十年，我们将看到金刚石进入更广泛的应用领域，包括高温数据中心、航空航天以及最终的消费电子产品。

我们来谈谈量子计算。金刚石如何融入这一领域？

钻石因其独特的结构，特别是氮空位（NV）中心，在量子计算中发挥着关键作用。将氮添加到金刚石中后，会与空位（缺失的碳原子）形成配对，从而形成量子位或量子比特。这些量子比特具有较长的相干时间，这意味着它们可以长时间保持量子状态。

与其他材料相比，金刚石可以实现更快的电荷传播和更好的量子比特相干性。目前约有40%的量子系统使用金刚石作为平台。我们的共掺杂方法进一步增强了这一功能，在不降低性能的情况下允许更多的量子比特。这使得金刚石成为推动量子计算发展的关键材料。

实验室培育钻石的成本是否已经降低到足以使其可行？

是的，大幅下降。由于实验室培育金刚石生产技术的进步，现在的成本已可与碳化硅和氮化镓相媲美。传统上，钻石让人联想到昂贵的宝石，但这是为技术而优化的工业级钻石。例如，你们在我身后看到的晶片就比开采的钻石更具成本效益。

最后，您认为这项技术在10年后的前景如何？

我们设想10年后金刚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产品和计算系统中。金刚石的优越性能使其成为下一波半导体技术的必然趋势。