网易云音乐

AI芯片散热新希望？科学家首次造出理论中的金属材料，导热率是铜的3倍_我的网站

俯卧撑

A | AI 的发展正在不断推高全球对算力的需求，随着以英伟达（NVIDIA）为代表的高端 AI 加速器功耗快速攀升，数据中心的机架功率密度将被推至 300 千瓦级别。巨大能耗之下，散热成为不容忽视的关键问题：芯片消耗的电能几乎全部以热的形式耗散出来。而在目前的芯片热传导路径中，铜是散热扩散层、热管、蒸汽腔和封装基板的主力材料，导热率约为 400 瓦每米每开尔文（W/m·K）。本报讯特约记者张旭报道 4月12日，兴城市委书记陈玮主持召开中共兴城八届市委常委会第一百四十四次会议。　　会议传达学习了习近平总书记在第二十届中共中央政治局第十二次集体学习时的重要讲话精神，研究我市贯彻落实意见；传达学习了《中共中央国务院关于学习运用“千村示范、万村整治”工程经验有力有效推进乡村全面振兴的意见》《习近平总书记关于做好“三农”工作的重要指示，刘国中同志在中央农村工作会议上的讲话及总结讲话》，研究兴城市贯彻落实意见；审议并原则通过了《兴城市2024年扶持发展新型农村集体经济项目实施方案》。一个世纪以来，这就是金属导热的真实性能上限。今年年初，加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）萨缪利工程学院的胡永杰教授团队在《科学》（Science）发文，他们造出一种曾经只存在于理论中的金属材料：θ 相氮化钽（θ-TaN）单晶。

B | 实验发现，该材料的室温导热率可达 1,100 W/m·K 左右，接近铜的三倍。　　会议还传达学习了中央财经委员会第四次会议、省委财经委员会第六次会议和市委常委会会议有关精神，研究我市贯彻落实意见；审议并原则通过了《兴城市人民政府、辽宁农村商业银行股份有限公司战略合作协议》；传达学习了中央及省委、市委党纪学习教育有关会议和《中共中央办公厅关于在全党开展党纪学习教育的通知》精神，研究我市贯彻落实意见。（来源：Science） θ-TaN 的 70 年发现之旅 1950 年代，德国化学家布劳尔（Brauer）等人在高温高压条件下发现，TaN 存在一种 θ 相。近年来，学界预测，θ-TaN 具备远超常规金属的本征导热率，潜在值接近金刚石和砷化硼。但此前有关 θ-TaN 的研究都停留在理论层面，高质量 θ-TaN 晶体始终未被造出，其导热性能也无从验证。障碍主要在合成端。稳定 θ 相需要在数千摄氏度环境下对材料施加数吉帕（GPa）压力，加之氮化钽体系中存在立方（δ-TaN）、六方（ε-TaN）、四方（t-TaN）等多种竞争晶相，过往合成的样品几乎都是含有晶界、缺陷与混相的多晶粉末。而且，此前的理论分析也指出，如果 θ-TaN 晶体存在缺陷或杂质，其导热率会远低于理论值水平。　　会议指出，要强化政治意识，履行维护国家“五大安全”政治使命，努力增强新能源发展和供给能力，为中国式现代化建设提供安全可靠的能源保障；要紧密结合实际，聚焦核能、风电、光伏等领域，因地制宜发展新质生产力，构建清洁低碳安全高效的新型能源体系，打造风光核储一体化能源基地；要加强组织领导，完善新能源产业发展规划，因地制宜抓招商、上项目、解难题，科学谋划一批新能源项目，为全面振兴新突破提供有力支撑。　　会议强调，提高思想认识，充分认识“三农”工作的重大意义，聚焦全力创建国家乡村振兴示范县、省级乡村振兴示范带工作，高标准高质量完成创建任务；要学习借鉴“千万工程”经验，聚焦人居环境整治、基础设施建设、民生领域问题、平安乡村建设，因地制宜，循序渐进，推进农村治理现代化；要强化产业振兴，做优做大花生主导产业，打造现代渔业养殖新模式、打响兴城特色区域品牌，全面推进农业产业现代化；要强化组织领导，坚持党对农村工作的全面领导，深入推进抓党建促乡村振兴，持续加强乡村振兴要素保障，全面推进乡村振兴取得新进展。为解决这一难题，胡永杰团队与日本东北大学（Tohoku University）多学科先进材料研究所的孝广（Takahiro Yamada）等人合作，采用了一种名为助熔剂辅助复分解反应的技术：以金属钠同时充当还原剂和助熔剂，绕开传统高压合成路线，在富氮环境下直接将氧化钽转化为氮化钽单晶。最终得到的 θ-TaN 单晶尺寸在 10 到 100 微米之间，表面光洁、单一晶相。团队进一步通过拉曼光谱、单晶 X 射线衍射（S-XRD）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、电子能量损失谱（EELS）等表征手段确认了样品的结构完整性，证实其特征与先前预测高度吻合。成功造出单晶后，团队终于有了验证 θ-TaN 导热率的机会。

C | 　　会议强调，要提高站位，充分认识开展党纪学习教育的重要性、必要性，从讲政治高度推进党纪学习教育；要把握目标要求和重点措施，高标准高质量推进党纪学习教育深入开展；要加强领导，压实责任，形成推动党纪学习教育的工作合力，确保党纪学习教育在全市取得实效。测量结果显示，在室温条件下，θ-TaN 沿 a 轴方向（六方晶格底面内）的导热率约为 1105 W/m·K，沿 c 轴方向（垂直于底面）约为 928 W/m·K，反映出 θ-TaN 导热性能的各向异性。而跨整个晶体扫描的空间分布测量显示，同一方向上导热率在样品各处保持一致，这表明测得的高导热率来自晶格本征行为，不是偶然现象。 θ-TaN 的优越导热性能与其特殊的晶体结构密切相关。

D | 在微观层面，固体材料的导热由两类载体承担：一是自由电子的定向流动，二是晶格原子的集体振动。后者在量子力学框架下被定义为声子（phonon），类比电子传递电流，声子则在晶体里传递热量。

E | 在铜、铝、银等常规金属中，热传导主要由自由电子承担，但电子与声子的相互作用反而会消耗上述两条通道的输运能力；再者，其内部活跃的声子-声子散射会进一步削弱导热。但 θ-TaN 的特殊之处在于，其声子-声子的相互作用极弱，电子也几乎不与声子交换能量，同时把两条散射通道都堵上了。此外，钽元素的一个自然属性又提供了第三重加成。声子在晶格中传播时，如果遇到质量不一致的原子，也会发生散射，影响导热。

F | 但钽几乎是单一同位素元素，天然钽中 ¹⁸¹Ta 同位素的丰度高达 99.988%，原子质量差异导致的散射在 θ-TaN 上天然被削弱。这些特性让热量可在 θ-TaN 晶格中以罕见的低阻尼状态传输，接近“晶格对热运动透明”的理论极限。以金属之躯，达到金刚石级别的导热性能需要注意的是，θ-TaN 只打破了金属材料维持一百多年的导热率纪录，还有导热性能更好的非金属材料，比如金刚石（俗称钻石）。天然金刚石的导热率可达 1,500~2,200 W/m·K，超纯合成金刚石可达 3,000 W/m·K。目前，工业上已在探索用化学气相沉积（CVD）金刚石薄膜作为热扩散层，直接键合至逻辑计算芯片的背面，用于台积电 CoWoS 等 2.5D/3D 先进封装。图 | 单晶 CVD 金刚石薄膜（来源：WikiPedia）但金刚石有三个显著短板：生长速度慢、能耗高，制造成本居高不下；再者，金刚石是电绝缘体，加入电气路径时需要多一道工艺；最后，作为已知最硬的材料，对金刚石进行切割、抛光、打孔都极其困难，与硅工艺的兼容性偏弱。面对这些劣势，θ-TaN 的金属属性，及其与现有芯片封装工艺天然亲和，让它有望成为比金刚石更优的选择。

G | 首先，氮化钽薄膜本身就是集成电路制造中常用的扩散阻挡层材料，目前的铜互连工艺广泛使用氮化钽作为衬垫。θ-TaN 如果能以薄膜形式沉积，就能无缝衔接现有产线，无需引入额外工艺。

H | 此外，它既能充当芯片背面的热扩散层，也可以作为热界面材料（TIM）的高导热填料，甚至有可能在高功率射频器件和电力电子模块中，成为兼具导电与导热功能的一体化互连层，光这一点，就是绝缘的金刚石做不到的。不过，团队也指出，受限于产能和制备难度，θ-TaN 短期内不太可能替代铜、铝等块状散热器材料，更现实的应用形态是被置于芯片和散热器之间，充当高导热中间层，功能类似上文提到的 CVD 金刚石薄膜。而且，TaN 的 θ 相在常温常压下是亚稳相，未来要进入产业，还需评估其长期热稳定性。造出 θ-TaN 之后，这项研究更重要的意义或许在于，团队进一步释放了金属材料的导热潜力。