La firme américaine Diamond Foundry (DF) a dévoilé une avancée majeure dans la fabrication de semi-conducteurs avec la présentation d’un wafer de 20 centimètres de diamètre entièrement composé de diamant monocristallin. Cette innovation marque un tournant potentiel pour l’industrie, car elle vise à remplacer ou compléter le silicium dans la production de processeurs, de cartes graphiques et de composants pour l’intelligence artificielle.
Contrairement aux diamants naturels, dont la taille est limitée, ce wafer artificiel mesure environ 20 cm, soit deux fois la longueur et trois fois la largeur du plus grand diamant naturel jamais découvert. Bien que l’épaisseur soit inférieure à celle d’une gemme de 103 carats, cette géométrie est optimisée spécifiquement pour l’intégration de circuits intégrés plutôt que pour l’esthétique.
Des propriétés physiques supérieures
Les performances thermiques et électriques du diamant surpassent largement celles du silicium traditionnel. Selon les données fournies par la société, un wafer en diamant dissipe la chaleur générée par les transistors entre sept et seize fois mieux qu’un wafer en silicium. Cette capacité de refroidissement est jusqu’à 5,5 fois supérieure à celle de l’argent, un métal déjà réputé pour sa conductivité thermique exceptionnelle. De plus, le matériau permet des commutations trois à six fois plus rapides et offre une tension de claquage trois à 33 fois plus élevée.
Historiquement, la production de diamants artificiels pour l’industrie électronique était contrainte à des monocristaux de seulement 2 cm de diamètre en 2020. Diamond Foundry a progressivement augmenté cette taille, passant à un wafer de 100 mm en 2023. Cette évolution a déjà permis des applications concrètes, comme un onduleur pour véhicules électriques Tesla utilisant un sixième du volume habituel grâce à une efficacité électrique accrue.
Le nouveau wafer de 200 mm ouvre la voie à la fabrication de puces complexes. Alors que la production de puissance brute privilégie la quantité de matériau, la fabrication de CPU et de GPU dépend de la capacité à graver des architectures extrêmement fines. Les coûts de production étant liés au nombre d’étapes par wafer plutôt qu’à la surface totale, le format 200 mm devient économiquement viable pour ces applications de pointe, surpassant l’obsolescence du format 100 mm.
Un premier cas d’usage
Diamond Foundry identifie comme premier cas d’usage un interposeur pour accélérateurs d’intelligence artificielle. Dans ce contexte, la conductivité thermique du diamant est exploitée pour permettre une densité de puissance quatre fois supérieure à des températures de point chaud identiques. La consommation pourrait ainsi passer de 800 watts à 3 200 watts pour des configurations similaires, répondant ainsi à la demande croissante de puissance brute dans le secteur de l’IA.
Techniquement, le diamant est considéré comme un matériau de la quatrième génération de semi-conducteurs, après le silicium, le carbure de silicium et le nitrure de gallium. Ses propriétés incluent notamment une haute résistance à la tension, ce qui minimise les fuites de courant et réduit la chaleur dissipée. Cependant, la mise à l’échelle de la fabrication reste un défi majeur face aux méthodes matures du silicium.
En termes de production, Diamond Foundry affiche actuellement une capacité de 18 millions de carats par an, soit une augmentation de 30 % par rapport à 2023. L’entreprise vise une production annuelle de 92 millions de carats d’ici 2028. Le déploiement commercial du diamant comme matériau semi-conducteur est prévu pour 2030, avec un objectif de fournir 3 millions de wafers de 30 cm à un prix comparable à celui du carbure de silicium.