»Die Zukunft der Chipherstellung« - das versprechen zumindest neu entwickelte Diamant-Wafer. (Quelle: Diamond Foundry)

Schneller, effizienter, besser: Diese Maxime treibt Chip-Hersteller nicht erst seit gestern an. Langsam, aber sicher stoßen wir dabei allerdings an physikalische Grenzen, denn das primär für Wafer genutzte Silizium gilt nicht als effektivster Wärmeableiter.

Eine neue Alternative macht aktuell mit vermeintlich immensen Performance-Gewinnen von sich reden. Aber was genau steckt dahinter?

Das Problem der Hitzeentwicklung

Um hohe Taktraten und damit auch eine potenziell hohe Leistung erzielen zu können, ist es für moderne Computerchips wichtig, die dabei entstehende Wärme möglichst gut abführen zu können.

Die Materialkonstante für Wärmeableiter wird in Watt pro Meter und Kelvin angegeben (W/m · K).

Das auch als »Kernmaterial der Mikroelektronik« bekannte Silizium hat eine Wärmeleitfähigkeit von 150 W/(m · K), was für gigantische Performance-Sprünge zumindest zum jetzigen Stand nicht mehr ausreicht - der Intel Core i9 14900K lässt an dieser Stelle grüßen (siehe auch das Video unten).

Entsprechend wird schon seit geraumer Zeit nach Alternativen zu Silizium gesucht - eine davon könnten synthetisch hergestellte Diamanten sein, die sich mit einer Wärmeleitfähigkeit von 1.800 W/(m · K) aufwärts zumindest theoretisch deutlich besser für die Chips eignen.

18:55 Intel packt die Brechstange aus: Was kann Core i-14000?

Diamant-Wafer aus Deutschland

Das passenderweise »Diamond Foundry« genannte Unternehmen soll laut dem Wall Street Journal bereits eine erste Lösung entwickelt haben, wie die Diamanten zur Chipherstellung genutzt werden können.

Denn so vielversprechend die Wärmeleitfähigkeit des Materials auch klingt, muss ein wichtiges Problem zuerst aus dem Weg geräumt werden: Um die genannten Werte zu erreichen, muss es sich bei dem Diamanten um einen perfekten Einkristall handeln.

Die Kosten hierfür können durchaus hoch sein, doch eigenen Angaben zufolge ist es der Diamond Foundry bereits gelungen, solche Einkristall-Diamanten mit einem Durchmesser von 100 Millimetern zu züchten.

Die Produktionskosten selbst seien dabei ungefähr auf Höhe der bisher gewohnt Siliziumcarbid-Wafer in gleicher Größe geblieben, womit die neuen Halbleiter als vielversprechende Alternative gesehen werden.

Um den Kristall auf die benötigte Größe wachsen zu lassen, wurde das Verfahren der Heteroepitaxie genutzt. Hierbei wird ein mehrlagiges Substrat aus Silizium und mit Yttriumoxid und Iridium stabilisiertes Zirkondioxid als Basis genommen, auf dem der Kristall wachsen kann.

Die Methodik zur Synthese stammt dabei von dem Augsburger Unternehmen Audiatec, welches im vergangenen Jahr von Diamond Foundry übernommen wurde.

Eine weitere Lösung besteht aus einer direkten Verbindung zwischen Silizium- und Diamantchip. Dem WSJ-Bericht zufolge ist ein Großteil in 300 Millimeter großen Silizium-Wafern inaktiv, um mögliche Schäden während des Fertigungsprozesses zu vermeiden.

Gerade dieser inaktive Teil mache die ausbaufähige Wärmeleitfähigkeit von Silizium allerdings noch schlimmer. Um dem entgegenzuwirken, schleift Diamond Foundry die jeweiligen Bereiche schlicht ab und setzt die synthetischen Diamanten an deren Stelle.

Das Ergebnis soll die versprochene bessere Wärmeableitung sowie Leistungsdichte sein. Das Verfahren zur Verknüpfung von Silizium und Diamant ist bereits entwickelt, wie Diamond Foundry im Rahmen einer Ankündigung über Wechselrichter in Elektroautos erklärt.

Eine erste High-End-GPU mit Diamantenchip wurde bereits entwickelt - lässt sich aber nicht kaufen

Könnten Diamant-Wafer einen großen Leistungssprung für Grafikkarten bedeuten? Noch bleibt das ungewiss.

Zurück zum 100-mm-Diamant-Wafer: Dieser soll schon seinen ersten Einsatz hinter sich gebracht haben. In einer nicht näher spezifizierten Grafikkarte von Nvidia wurden laut dem Wall Street Journal beeindruckende Ergebnisse erzielt.

So sei diese »High-End-GPU« mit dem synthetischen Diamant-Wafer etwa dreimal leistungsfähiger als ihr reguläres Pendant. Die Benchmarks beziehungsweise Details dazu wurden allerdings nicht veröffentlicht, sodass die Angaben noch mit Vorsicht zu genießen sind.

Bleibt nur noch die Frage, wann solche Diamant-Chips in Grafikkarten und Prozessoren zu finden sein werden und wie teuer es denn sein darf.

Während letztere Frage nur unter wilden Spekulationen zu beantworten ist, gibt es immerhin einen groben Zeitplan seitens der Diamond Foundry: Innerhalb der nächsten zehn Jahre sollen erste Halbleiter direkt auf solchen Diamant-Wafern gefertigt werden.

Wie stattdessen ein scheinbar simpler Stein zuletzt für viel Aufmerksamkeit gesorgt hat, erfahrt ihr hier:

Mann benutzt Stein 30 Jahre lang als Türstopper - Es stellte sich heraus, dass er ein Vermögen wert ist

Jetzt ist eure Meinung zu diesem Thema gefragt: Wie vielversprechend klingt für euch die Abkehr von Silizumchips und der Wechsel hin zu Diamanten? Sind künstlich hergestellte Diamanten tatsächlich die Lösung der Zukunft oder klingt eine Grafikkarte »Powered by Swarovski« zu unrealistisch für euch, um jemals wirklich wahr werden zu können? Lasst es uns gerne in den Kommentaren wissen!