20多年前，当业界普遍认为单晶金刚石难以生长到大尺寸时，科学家Stefan Gsell和Martin Fischer开始了探索。他们在德国经历了无数次失败和重建机器，最终在2022年以名下公司的形式被收购、带着技术加入美国实验室培育公司 Diamond Foundry（钻石铸造厂）。
2026年11月5日，迎来了长达25年里程碑式的激动人心的高光时刻：Diamond Foundry宣布全球第一块200毫米单晶金刚石晶圆正式问世。
这块晶圆看上去就像是一块巨大的、略带浑浊的玻璃圆盘，它还没有经过抛光处理，表面还不够光滑，甚至透着一些工业制造的粗糙感。但是，正是这块看上去不那么起眼的材料，打破了半导体行业几十年来对于金刚石尺寸的一贯认知，让单晶金刚石正式跨入大尺寸晶圆时代。
这得从我们使用手机或者电脑运行大型游戏说起，我们在使用时经常会感觉设备发烫，甚至因为过热而卡顿降频。在人工智能飞速发展的今天，那些在数据中心里日夜不停运转的AI芯片，功率密度越来越高，发热量越来越惊人。传统的硅材料与铜材，已经越来越难以把这些热量快速地散发出去。
在寻找终极散热材料的通路上，科学家看中了金刚石的导热性。作为自然界中导热性能最好的物质，它的导热能力要远超过铜。除散热外，金刚石还具备非常高的机械强度、出色的绝缘性以及优异的光学特性。
但是在过去的几十年里，科学家们一直面临着一个巨大的障碍，那就是尺寸。天然金刚石的形成完全依赖严苛的地质条件，产量非常稀少且体积很小。在实验室里研制出来的金刚石，虽然纯度很高，但很难做大，往往只能长到指甲盖尺寸。金刚石虽然一直被用于切割、研磨和钻探等工业领域，但若要更广泛地用于半导体制造，还需要解决尺寸、质量、加工难度和成本等问题。
为了把金刚石变成工业界能够在工厂里批量制造的基础材料，科学家们进行了一系列的努力。在半导体行业里，晶圆的尺寸通常代表着制造的效率和成本。硅片从早期的较小尺寸一路发展到目前的300毫米大圆盘，每一次尺寸的变大，都意味着能够在同一块材料上切出更多的芯片，从而有效降低单颗芯片的成本。
金刚石却一直卡在生长的极限里。要让金刚石的碳原子在极高的温度和复杂的环境中，排列成完全统一的单一晶格，并且还得保证它在宏观尺度上不发生碎裂，这就好比在没有现成图纸的情况下搭建一座错综复杂的摩天大楼。
如今，这项曾被认为不可能完成的技术任务，在 Diamond Foundry团队的坚持下成为了现实。该公司创始人 Martin Roscheisen在发布这块晶圆时感慨地说，这是一个曾经不可能完成的里程碑，数百名工程师、科学家以及技术人员，经历了无数次的实验失败、发明创造与机器重建，才积累了今天这一成果。
在这个过程中，物理、反应器工程以及工艺控制等技术都需要取得令人满意的突破。他们不仅要解决如何使金刚石长得更大，还要解决如何使其在生长过程中不产生缺陷，严格控制生长过程中的缺陷并保证大面积晶体的质量与一致性。
图|首颗直径200毫米的单晶钻石，未经抛光、未经加工（来源：Diamond Foundry）
而实现200毫米尺寸的意义，在于使其成功满足了半导体制造中对成熟工艺节点的晶圆尺寸要求。这意味着，目前的部分半导体制造设备，有望在经过调整后直接用于加工金刚石材料。更让人期待的是，该公司还表示这一突破让300毫米晶圆工艺的实现变得可以预期。按照他们的规划来看，2030年之前将有望造出300毫米尺寸的单晶晶圆，从而能够与当前最先进的半导体芯片尺寸完全对齐。
讲完了尺寸，再来看看这块晶圆到底能够用来做什么。Diamond Foundry看重的重要应用方向之一，是利用金刚石帮助高性能芯片，包括未来用于 AI处理器的热管理。当代的高性能处理器把多层的计算单元封装在极小的区域里，热量高度集中，如果不及时散出，芯片就会降速甚至会被烧毁。
金刚石卓越的导热能力可以在芯片底部把热量迅速摊开，降低局部过热的峰值温度，从而为芯片设计提供更大的空间。它能让工程师设计功耗更高、性能更强、可靠性更好的芯片，同时也为现有的散热器系统减轻了负担。
（来源：Diamond Foundry）
事实上，已经有不少企业在这个方向上布局，比如有公司获得了资金支持研发将芯片与合成金刚石结合的技术，也有传统钻石行业在研究金刚石铜复合材料，大家都在尝试利用高精度金刚石技术来应对AI时代的算力散热危机。
除了散热之外，金刚石在电子性能上也具备极大的潜力。它能够在极高的电压和频率下工作，同时又具备极好的绝缘性，这使得它非常适合用于高功率的电力电子器件，或者下一代的高频通信设备。
在量子计算领域，金刚石内部的某些微小缺陷被称为氮-空位色心（NV色心），这些色心在室温下能够保持量子相干性，是构建量子比特的重要候选材料之一。当金刚石像硅片一样被大规模制造时，这些原本停留在实验室前沿的物理构想，便有了走向工程化和商业化的可能，把那些以前只能在影视作品里看到的装置，一点点变成真正的工业产品。
（来源：Diamond Foundry）
当然，从晶圆生长的毛坯状态，到最终装进电脑或服务器里的芯片，中间还有很长的路要走。目前切割的这块工件还是未经过抛光的粗糙状态，材料表面不够平坦，需要进行精密的加工。
在极端严苛的工艺要求下，如何在一块大的单晶材料上进行均匀的掺杂，如何通过光刻技术在金刚石表面雕刻出复杂的电路图形，这些问题都需要产业界在未来的几年里逐步解决。但第一步的跨越已经足够了。这一成果显示，将单晶金刚石生长至更大的尺寸完全具备可行性。只要找到正确的物理和工程方法，材料学的边界就能被拓宽。
人类使用工具的历史，很大程度上就是一部材料进化的历史。从石器到青铜，从钢铁到硅，每一次基础材料的突破，都会引发整个社会生产方式的变革。半导体行业之所以能够发展至今，正是因为人类不断把最普通的沙子提纯成为了推动现代文明的硅。
如今，科学家们将金刚石从珠宝首饰的展示柜里解放，变成科技基础设施里的核心部件。回想这件事，德国科学家二十多年的坚持，所展现出的长期主义精神在快节奏的现代社会里显得尤为珍贵。也许在未来的某一天，我们使用的电子设备里，就贴着这样一块由人造金刚石制成的薄膜，它们可以带走致命的余热，让算力能够实现无顾忌的狂奔。
