Kami baru-baru ini duduk bersama Adam Khan dari Diamond Quanta – perusahaan yang ingin mengganti chip silikon dengan yang terbuat dari berlian. Kami mendiskusikan alasan ide gemerlap ini, tantangan yang ditimbulkannya, dan implikasi teknologinya.
Setengah abad terakhir telah terjadi evolusi fantastis dalam bidang elektronik dan komputer berkat chip silikon. Sejalan dengan Hukum Moore, jumlah transistor pada satu chip meningkat dua kali lipat setiap dua tahun dengan peningkatan daya komputer dan penurunan harga yang sepadan. Hasilnya adalah era superkomputer genggam yang modern, AI yang semakin umum, internet, dan semua hal lainnya yang membuat kita yang mengingat kartu punch merasa sangat tua.
Namun, silikon tidak hanya mencapai batas teknologinya tetapi juga hukum fisika. Komponen-komponen chip telah menjadi sangat kecil sehingga efek kuantum, di antara masalah-masalah lainnya, mulai muncul, sampai pada titik di mana chip silikon akan mengalami hukum hasil yang semakin berkurang yang tidak dapat dihindari.
Untuk mengatasinya, Kuanta Berlian sedang berupaya menukar silikon dengan berlian. Hal ini mungkin tampak seperti mengganti plastik di rumah Anda dengan emas murni, namun ada metode dalam hal yang tampak gila ini – dan juga janji akan tidak hanya komputer yang lebih canggih, namun juga komputer yang bekerja lebih efisien dan bahkan dapat beroperasi di lingkungan bersuhu tinggi. chip modern sangat tidak menyenangkan.
Kami meminta Adam Khan untuk menjelaskannya kepada kami.
Sebelum kita mulai, bisakah Anda ceritakan sedikit tentang diri Anda dan perusahaan Anda?
Saya Adam Khan, pendiri dan CEO. Saya sudah memiliki pengalaman lebih dari 15 tahun di bidang teknologi berlian yang dikembangkan di laboratorium. Ini sebenarnya adalah startup semikonduktor berlian kedua saya. Yang pertama adalah Akhan Semiconductor, yang berfokus pada berlian nanokristalin film tipis.
Sejauh latar belakang saya: Saya memegang gelar sarjana di bidang fisika dan teknik elektro dari Universitas Illinois, Chicago, dan menyelesaikan pekerjaan pascasarjana di Fasilitas Fabrikasi Nano Universitas Stanford, dengan fokus pada mikro-fisika. Perusahaan saya sebelumnya mengembangkan sekitar 36 paten AS yang diterbitkan terutama berfokus pada optik berlian, pelapis mekanis, dan perangkat semikonduktor.
Tahun lalu, pada Oktober 2023, saya mulai mengeksplorasi metode baru dalam teknologi berlian, khususnya dalam aplikasi kuantum dan material semikonduktor. Saya mengidentifikasi dan mengatasi masalah mendasar terkait doping pada semikonduktor berlian, yang biasanya menurunkan kinerja seiring dengan bertambahnya dopan. Dengan berfokus pada transportasi biaya dan metode co-doping, kami telah mencapai terobosan yang signifikan. Kami telah mulai menerbitkan buku putih dan berinteraksi dengan pelanggan untuk memvalidasi teknologi kami.
Jadi kita berbicara tentang semikonduktor berlian. Sekarang, kita tahu apa itu semikonduktor, tapi apa itu semikonduktor berlian? Bagaimana cara kerjanya?
Kami melihat ini sebagai semikonduktor gelombang ketiga. Yang pertama adalah germanium pada akhir tahun 1940an, yang beralih dari sistem berbasis vakum ke transistor. Germanium memiliki masalah pemanasan, yang menyebabkan penggunaan silikon. Silikon merevolusi industri tetapi sekarang menghadapi keterbatasan akibat panas dan miniaturisasi seperti yang didefinisikan oleh Hukum Moore.
Berlian, sebagai material ekstrem, menawarkan pembuangan panas yang tak tertandingi dan pergerakan elektron yang cepat. Ini bukan berlian alami melainkan berlian buatan laboratorium yang terbuat dari bahan prekursor metana. Hal ini memberikan jalan untuk melanjutkan warisan silikon dengan kemampuan panas dan kinerja yang jauh lebih baik.
Apa yang memberi berlian kemampuan pembuangan panas ini? Apakah karena karbon di dalamnya, sifat kristalnya, atau yang lainnya?
Istilah formalnya adalah konduktivitas termal, yang pada dasarnya mengacu pada perpindahan panas – bagaimana panas berpindah dari satu media ke media lainnya. Kemampuan luar biasa Diamond berasal dari strukturnya. Atom-atom dalam berlian terikat sangat erat dalam struktur kovalen, yang merupakan jenis ikatan terkuat yang kita ketahui.
Karena atom-atomnya sangat padat, getaran dalam struktur kristal, yang disebut fonon, dapat menghilangkan panas dengan sangat efisien. Konduktivitas termal berlian sekitar 20 kali lebih baik dibandingkan silikon, sehingga ideal untuk aplikasi panas tinggi.
Dan Anda bilang ide ini sudah ada sekitar 20 tahun?
Ya, berlian yang dikembangkan di laboratorium sudah ada sejak Perang Dunia II, dengan sistem pertama yang dibuat oleh General Electric. Ini menggunakan landasan bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi. Belakangan, teknik deposisi uap kimia (CVD) muncul, memungkinkan intan ditumbuhkan dari prekursor gas.
Proses ini mendapatkan momentumnya pada awal tahun 2000an, yang mengarah pada kemampuan untuk menumbuhkan berlian dalam wafer besar. Di belakang saya, misalnya, ada wafer berlian berukuran 12 inci – sama ukurannya dengan wafer silikon. Meskipun kami telah menguasai rendering material berlian untuk penggunaan permata, mengaktifkannya untuk aplikasi semikonduktor merupakan tantangan tersendiri. Berlian pada dasarnya bersifat isolasi, sehingga kesulitannya terletak pada penambahan dopan untuk membuatnya bersifat konduktif tanpa menurunkan material atau mengubahnya menjadi grafit.
Apa saja hambatan untuk menjadikan teknologi ini praktis?
Tantangan utamanya adalah memungkinkan transportasi muatan dalam berlian. Untuk menjadi semikonduktor yang sukses, berlian harus mengungguli silikon dan bahan lain seperti silikon karbida atau galium nitrida. Meskipun pembuangan panas berlian telah diketahui secara luas, namun mencapai transportasi muatan yang lebih baik telah menjadi hambatannya.
Fokus kami adalah pada doping – menambahkan atom asing ke struktur berlian untuk meningkatkan konduktivitas – tanpa mengubah struktur berlian menjadi grafit. Terlepas dari tantangan ini, sifat-sifat berlian, seperti konduktansi daya tinggi, kecepatan peralihan yang cepat, dan manajemen termal yang unggul, menjadikannya semikonduktor celah pita lebar terbaik.
Di luar konduksi panas, bagaimana kinerja semikonduktor berlian dibandingkan dengan teknologi tradisional?
Berlian mengungguli silikon dan semikonduktor lainnya dalam berbagai parameter, tidak hanya pembuangan panas. Ia dapat menangani frekuensi tertinggi, konduktansi daya tertinggi, dan kecepatan peralihan tercepat. Kuncinya adalah mengembangkan proses untuk menambahkan dopan tanpa menurunkan sifat-sifat ini.
Saat ini, kami menerapkan hal ini pada struktur perangkat listrik untuk aplikasi seperti otomotif bersuhu tinggi dan pusat data. Kemampuan Diamond untuk beroperasi pada suhu lebih dari 600 °C (1.112 °F) tanpa penurunan kinerja merupakan terobosan baru, terutama di lingkungan di mana sistem pendingin memberikan beban yang signifikan, seperti kendaraan listrik.
Apakah Anda melihat penerapan teknologi ini pada konsumen secara lebih luas? Bisakah ini membantu kita mengatasi batasan Hukum Moore?
Ya, tentu saja. Chip berbasis berlian pada akhirnya dapat digunakan pada GPU dan aplikasi logika berkinerja tinggi. Namun, fokus utamanya adalah pada semikonduktor daya untuk mematangkan teknologinya. Pada kendaraan listrik, misalnya, berlian dapat menggantikan sistem pendingin berat, mengurangi bobot kendaraan, dan meningkatkan jangkauan.
Selama lima hingga 10 tahun ke depan, kita melihat berlian memasuki aplikasi yang lebih luas, termasuk pusat data suhu tinggi, ruang angkasa, dan akhirnya elektronik konsumen.
Mari kita bicara tentang komputasi kuantum. Bagaimana berlian cocok dengan bidang itu?
Berlian memainkan peran penting dalam komputasi kuantum karena strukturnya yang unik, khususnya pusat kekosongan nitrogen (NV). Ketika nitrogen ditambahkan ke berlian, ia menciptakan pasangan dengan kekosongan (atom karbon yang hilang) yang dapat membentuk bit kuantum atau qubit. Qubit-qubit ini menunjukkan waktu koherensi yang lama, yang berarti mereka dapat mempertahankan keadaan kuantumnya untuk jangka waktu yang lama.
Diamond memungkinkan propagasi muatan lebih cepat dan koherensi qubit lebih baik dibandingkan material lain. Sekitar 40% sistem kuantum saat ini menggunakan berlian sebagai platformnya. Pendekatan co-doping kami semakin menyempurnakan hal ini, memungkinkan lebih banyak qubit tanpa menurunkan kinerja. Hal ini menempatkan berlian sebagai bahan penting untuk memajukan komputasi kuantum.
Dan apakah harga berlian yang dikembangkan di laboratorium sudah cukup murah sehingga bisa layak digunakan?
Ya, secara dramatis. Berkat kemajuan dalam produksi berlian yang dikembangkan di laboratorium, biayanya kini sebanding dengan silikon karbida dan galium nitrida. Meskipun berlian secara tradisional mengingatkan kita pada permata mahal, ini adalah berlian kelas industri yang dioptimalkan untuk teknologi. Misalnya, wafer yang Anda lihat di belakang saya jauh lebih hemat biaya daripada berlian yang ditambang.
Terakhir, di mana Anda melihat teknologi ini dalam 10 tahun ke depan?
Dalam 10 tahun ke depan, kami membayangkan berlian akan tersebar luas seperti halnya silikon saat ini. Hal ini kemungkinan akan dimulai pada aplikasi berkinerja tinggi – pusat data, otomotif, dan ruang angkasa – namun seiring berjalannya waktu, hal ini akan merambah ke sistem elektronik dan komputasi konsumen. Sifat-sifat unggul Diamond menjadikannya tak terelakkan sebagai gelombang teknologi semikonduktor berikutnya.
