Pse çipat modernë nxehen shumë

Ndërsa transistorët në shkallë nano ndërrohen me shpejtësi gigahertz, elektronet kalojnë me shpejtësi përmes qarqeve dhe humbasin energji si nxehtësi - e njëjta nxehtësi që ndjeni kur një laptop ose telefon nxehet në mënyrë të pakëndshme. Vendosja e më shumë transistorëve në një çip lë më pak hapësirë ​​për të hequr atë nxehtësi. Në vend që të përhapet në mënyrë të barabartë nëpër silikon, nxehtësia grumbullohet në pika të nxehta që mund të jenë dhjetëra gradë më të nxehta se rajonet përreth. Për të shmangur dëmtimet dhe humbjen e performancës, sistemet i ngadalësojnë CPU-të dhe GPU-të kur temperaturat rriten ndjeshëm.

Shtrirja e sfidës termike

Ajo që filloi si një garë për miniaturizim është shndërruar në një betejë me nxehtësinë në të gjitha pajisjet elektronike. Në informatikë, performanca vazhdon ta rrisë dendësinë e energjisë (serverët individualë mund të përdorin rreth dhjetëra kilovat). Në komunikime, si qarqet dixhitale ashtu edhe ato analoge kërkojnë fuqi më të lartë të tranzistorit për sinjale më të forta dhe të dhëna më të shpejta. Në elektronikën e fuqisë, efikasiteti më i mirë kufizohet gjithnjë e më shumë nga kufizimet termike.

Një strategji e ndryshme: përhapja e nxehtësisë brenda çipit

Në vend që të lejohet përqendrimi i nxehtësisë, një ide premtuese është tëhollojbrenda vetë çipit - sikur të derdhësh një filxhan ujë të valuar në një pishinë. Nëse nxehtësia shpërndahet pikërisht aty ku gjenerohet, pajisjet më të nxehta mbeten më të ftohta dhe ftohësit konvencionalë (radiatorët, ventilatorët, qarqet e lëngjeve) funksionojnë më me efikasitet. Kjo kërkon njëmaterial me përçueshmëri të lartë termike, izolues elektriktë integruara vetëm nanometra nga transistorët aktivë pa shqetësuar vetitë e tyre delikate. Një kandidat i papritur i përshtatet kësaj situate:diamant.

Pse diamant?

Diamanti është ndër përçuesit më të mirë termikë të njohur—disa herë më i lartë se bakri—ndërsa është gjithashtu një izolator elektrik. Problemi është integrimi: metodat konvencionale të rritjes kërkojnë temperatura rreth ose mbi 900–1000 °C, të cilat do të dëmtonin qarqet e përparuara. Përparimet e fundit tregojnë se materiali i hollëdiamant polikristalinfilmat (vetëm disa mikrometra të trashë) mund të rriten nëtemperatura shumë më të ulëtai përshtatshëm për pajisje të përfunduara.

Ftohësit e sotëm dhe kufijtë e tyre

Ftohja kryesore përqendrohet në radiatorë, ventilatorë dhe materiale ndërfaqeje më të mira. Studiuesit gjithashtu eksplorojnë ftohjen me lëng mikrofluidik, materialet e ndryshimit të fazës dhe madje edhe zhytjen e serverëve në lëngje përçuese termikisht dhe izoluese elektrikisht. Këto janë hapa të rëndësishëm, por ato mund të jenë të mëdha, të shtrenjta ose të mos përputhen mirë me teknologjitë në zhvillim.3D-stackedarkitekturat e çipave, ku shtresa të shumëfishta silikoni sillen si një "rrokaqiell". Në pirgje të tilla, çdo shtresë duhet të çlirojë nxehtësi; përndryshe pikat e nxehta bllokohen brenda.

Si të kultivoni diamant të përshtatshëm për pajisje

Diamanti me një kristal të vetëm ka përçueshmëri termike të jashtëzakonshme (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, rreth gjashtë herë më i lartë se bakri). Filmat polikristalinorë që prodhohen më lehtë mund t'i afrohen këtyre vlerave kur janë mjaftueshëm të trashë - dhe janë akoma superiorë ndaj bakrit edhe kur janë më të hollë. Depozitimi tradicional kimik i avullit reagon me metanin dhe hidrogjenin në temperaturë të lartë, duke formuar nanokolona vertikale diamanti që më vonë bashkohen në një film; deri atëherë shtresa është e trashë, e stresuar dhe e prirur ndaj çarjeve.
Rritja në temperatura më të ulëta kërkon një recetë të ndryshme. Thjesht ulja e nxehtësisë jep blozë përçuese në vend të diamantit izolues. Prezantimi ioksigjengdhend vazhdimisht karbonin jo-diamant, duke mundësuardiamant polikristalin me kokërr të madhe në ~400 °C, një temperaturë e pajtueshme me qarqet e integruara të përparuara. Po aq e rëndësishme është se procesi mund të veshë jo vetëm sipërfaqet horizontale, por edhemuret anësore, gjë që ka rëndësi për pajisjet në thelb 3D.

Rezistenca kufitare termike (TBR): ngushtica e fononit

Nxehtësia në trupat e ngurtë bartet ngafonone(dridhje të kuantizuara të rrjetës). Në ndërfaqet materiale, fononet mund të reflektohen dhe grumbullohen, duke krijuarrezistenca kufitare termike (TBR)që pengon rrjedhën e nxehtësisë. Inxhinieria e ndërfaqeve kërkon të ulë TBR-në, por zgjedhjet janë të kufizuara nga përputhshmëria e gjysmëpërçuesve. Në ndërfaqe të caktuara, përzierja mund të formojë një shtresë të hollëkarbid silikoni (SiC)shtresë që përputhet më mirë me spektrat e fononeve në të dyja anët, duke vepruar si një "urë" dhe duke zvogëluar TBR-në - duke përmirësuar kështu transferimin e nxehtësisë nga pajisjet në diamant.

Një platformë testimi: HEMT-të GaN (transistorë me radiofrekuencë)

Transistorët me lëvizshmëri të lartë elektroni (HEMT) bazohen në rrymën e kontrollit të nitritit të galiumit në një gaz elektroni 2D dhe vlerësohen për funksionimin me frekuencë të lartë dhe fuqi të lartë (duke përfshirë brezin X ≈8–12 GHz dhe brezin W ≈75–110 GHz). Meqenëse nxehtësia gjenerohet shumë afër sipërfaqes, ato janë një sondë e shkëlqyer e çdo shtrese që përhap nxehtësinë në vend. Kur diamanti i hollë mbështjell pajisjen - duke përfshirë muret anësore - temperaturat e kanalit janë vërejtur të bien me~70 °C, me përmirësime të konsiderueshme në hapësirën termike në fuqi të lartë.

Diamond në CMOS dhe 3D stacks

Në informatikën e përparuar,Grumbullim 3Drrit dendësinë dhe performancën e integrimit, por krijon pengesa të brendshme termike aty ku ftohësit tradicionalë të jashtëm janë më pak efektivë. Integrimi i diamantit me silikonin mund të prodhojë përsëri një produkt të dobishëm.Shtresa ndërtuese SiC, duke dhënë një ndërfaqe termike me cilësi të lartë.
Një arkitekturë e propozuar është njëskela termikefletë diamanti të holla sa një nanometr i ngulitur sipër transistorëve brenda dielektrikëve, të lidhura ngarrugë vertikale termike ("shtylla nxehtësie")të bëra prej bakri ose diamanti shtesë. Këto shtylla e kalojnë nxehtësinë nga shtresa në shtresë derisa të arrijë në një ftohës të jashtëm. Simulimet me ngarkesa pune realiste tregojnë se struktura të tilla mund të ulin temperaturat maksimale mederi në një rend madhësienë pirgje prove-of-concept.

Ajo që mbetet e vështirë

Sfidat kryesore përfshijnë prodhimin e sipërfaqes së sipërme të diamantit.atomikisht i sheshtëpër integrim të përsosur me ndërlidhjet dhe dielektrikët sipërfaqësorë, dhe procese rafinimi në mënyrë që filmat e hollë të ruajnë përçueshmëri termike të shkëlqyer pa u ngarkuar qarqet themelore.

Perspektivë

Nëse këto qasje vazhdojnë të zhvillohen,përhapja e nxehtësisë së diamantit në çipmund të zvogëlojë ndjeshëm kufijtë termikë në CMOS, RF dhe elektronikën e fuqisë, duke lejuar performancë më të lartë, besueshmëri më të madhe dhe integrim më të dendur 3D pa penalitetet e zakonshme termike.