刘銮雄太太第三胎

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

一 |     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。    Nancy 编译 虽然，由上届工党政府实施的奥克兰燃油税一直备受争议，但新政府决定将在6月废除该税。         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。本周四（2月8日），总理Christopher Luxon和交通部长Simeon Brown正式宣布了这一决定。媒体一直猜测，奥克兰市长可能会通过提升税收政策来填补燃油税收的缺口。         然而今天，奥克兰市长迅速就昨天总理做出的决定表态，并承诺市议会不会提高奥克兰市的地税。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）。

二 |          Brown在接受《Morning Report》节目采访时表明，奥克兰市议会将会寻求通过减少项目开支或寻找其他融资方案来解决资金问题，而不是仅仅依赖提高地税来解决财政困境。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。

三 |          Brown表示，他不会简单的因为政府取消了税收而提高地税。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。         （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。

四 | 他认为政府应该为取消税收所带来的后果负责。比如像Lake Road这样的升级项目如果因为燃油税的取消而中止，市民将会认识到这是政府取消了该项目。因此，他强调不会仅仅通过提高地税来替代被取消的项目，而会寻找其他的解决方案。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。

五 |          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。         Brown早些时候表示，取消燃油税将在未来四年内使奥克兰交通部门出现12亿纽币的赤字，大约有30个项目将面临取消的风险。

六 |          但Brown强调，他愿意与新政府合作，确保一些承诺的项目能够继续付诸行动。         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。

七 |          Advertise with us          与此同时，奥克兰市议会议员Richard Hills则表示，“如果要继续支撑由燃油税支持的交通项目，地税可能需要上升约7%，而取消燃油税将使其他项目面临被取消的风险。”          奥克兰汽车协会也表示，政府取消燃油税可能会受到大多数奥克兰汽车司机的欢迎，但需要找到替代方案来填补这些资金缺口。         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。         交通部长Simeon Brown称，“政府将很快发布交通政策声明，该声明会涵盖一些道路修缮项目和收费措施，例如拥堵费。

八 |          成功造出单晶后，团队终于有了验证 θ-TaN 导热率的机会。”          虽然未来将面临着巨大的挑战，但奥克兰市政府和政府部门将继续努力合作，确保奥克兰交通项目的顺利进行，同时避免对市民增加不必要的负担。

九 | 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。         相关阅读：          总理宣布：奥克兰的地区燃油税即将终结！市长不爽：可能涨地税          一文了解新西兰拥堵费：什么时候可能开始收取？各政党和城市立场如何？          奥克兰又现另一个“天坑”！主路封闭公交绕行          五年来国家公路上出现的坑洼超过21万个，最多的地区是……          政府会征税但不会花？逾3亿纽币的奥克兰燃油税仍未使用          奥克兰人交的地区燃油税到底有没有花完？市长这么说……          耗资6200万的奥克兰道路项目开工，你交的地区燃油税花在这儿          燃油税满半岁：收了7770万纽币，只花掉一半！重点花在东区！          政府拨款资助了交通项目，奥克兰人还要交10年的地区燃油税吗？          奥克兰燃油税敲定！每公升11.5纽分 今年7月起实施          奥克兰地区燃油税通过，每升油加价11.5纽分！          注：本文为编译/原创，欢迎转发分享；但严禁复制等未经授权的非法使用。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。违反上述声明者，本网将追究其相关法律责任。使用授权请联系[email protected]。         chineseherald.co.nz All Rights Reserved 版权所有          (责编：Nancy)          来源 -          相关内容                澳洲热带气旋Kirrily形成了5500公里长的云带，会影响新西兰吗？           奥克兰一女子晨跑时遭到袭击并被抢，警方发布嫌犯照片           总理宣布：奥克兰的地区燃油税即将终结！市长不爽：可能涨地税           警察又逮到一名9岁小孩开车，还是在这个地区！           奥克兰中区大火还在继续燃烧，没有足够的水来灭火……           奥克兰西区一处房屋发生火灾 一人死亡           毛利事务撕裂新政府，国庆日怀唐伊成战场           奥克兰中区Ōnehunga垃圾场燃起大火 20公里外可见浓烟！。         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。

十 |          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。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。

十一 |          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。         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。         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。论文显示，除了 θ-TaN 之外，氮化钨、磷化钼等过渡金属化合物的电子-声子耦合也偏低。这为行业和学界提了个醒，或许可以对这些物质进行系统性地合成和测量，筛出更多具备高导热性质的金属材料。         参考内容：          https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.aeb1142          运营/排版：何晨龙               注：封面/首图由 AI 辅助生成。

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Published on:07:26:31