Zašto se moderni čipovi pregrijavaju

Kako se nanotranzistori prebacuju brzinom od gigaherca, elektroni jure kroz strujna kola i gube energiju kao toplotu - istu toplotu koju osjećate kada se laptop ili telefon neprijatno zagriju. Pakovanje većeg broja tranzistora na čip ostavlja manje prostora za odvođenje te toplote. Umjesto da se ravnomjerno širi kroz silicijum, toplota se akumulira u vrućim tačkama koje mogu biti desetine stepeni toplije od okolnih područja. Kako bi se izbjegla oštećenja i gubitak performansi, sistemi smanjuju CPU i GPU kada temperature naglo porastu.

Obim termalnog izazova

Ono što je počelo kao utrka za minijaturizacijom pretvorilo se u bitku s toplinom u svoj elektronici. U računarstvu, performanse neprestano povećavaju gustoću snage (pojedinačni serveri mogu trošiti reda veličine desetina kilovata). U komunikacijama, i digitalni i analogni sklopovi zahtijevaju veću snagu tranzistora za jače signale i brži prijenos podataka. U energetskoj elektronici, bolja efikasnost je sve više ograničena termalnim ograničenjima.

Drugačija strategija: širenje toplote unutar čipa

Umjesto da dozvolimo da se toplota koncentriše, obećavajuća ideja je da serazrijeditiunutar samog čipa - kao da sipate šolju ključale vode u bazen. Ako se toplota širi tačno tamo gdje se generiše, najtopliji uređaji ostaju hladniji, a konvencionalni hladnjaci (hladnjaci, ventilatori, tečne petlje) rade efikasnije. To zahtijeva...visokotermička provodljivost, električno izolacijski materijalintegrisao samo nanometar iz aktivnih tranzistora bez narušavanja njihovih osjetljivih svojstava. Neočekivani kandidat odgovara ovom opisu:dijamant.

Zašto dijamant?

Dijamant je među najboljim poznatim toplotnim provodnicima - nekoliko puta bolji od bakra - a ujedno je i električni izolator. Kvaka je u integraciji: konvencionalne metode rasta zahtijevaju temperature oko ili iznad 900-1000 °C, što bi oštetilo napredna kola. Nedavni napredak pokazuje da tanki...polikristalni dijamantfilmovi (debljine samo nekoliko mikrometara) mogu se uzgajati namnogo niže temperaturepogodno za gotove uređaje.

Današnji hladnjaci i njihova ograničenja

Uobičajeno hlađenje fokusira se na bolje hladnjake, ventilatore i materijale za međupovršine. Istraživači također istražuju mikrofluidno hlađenje tekućinom, materijale za promjenu faze, pa čak i uranjanje servera u toplinski provodljive, električno izolirajuće tekućine. Ovo su važni koraci, ali mogu biti glomazni, skupi ili loše usklađeni s novim tehnologijama.3D složenoarhitekture čipova, gdje se više slojeva silicija ponaša poput "nebodera". U takvim slojevima, svaki sloj mora odavati toplinu; u suprotnom, vruće tačke ostaju zarobljene unutra.

Kako uzgajati dijamant prilagođen uređajima

Monokristalni dijamant ima izvanrednu toplinsku provodljivost (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, oko šest puta veću od bakra). Polikristalni filmovi koje je lakše napraviti mogu se približiti ovim vrijednostima kada su dovoljno debeli - i dalje su superiorniji od bakra čak i kada su tanji. Tradicionalno hemijsko taloženje pare reaguje metan i vodonik na visokoj temperaturi, formirajući vertikalne dijamantske nanokolone koji se kasnije spajaju u film; do tada je sloj debeo, napet i sklon pucanju.
Rast na nižim temperaturama zahtijeva drugačiji recept. Jednostavnim smanjenjem temperature dobija se provodljiva čađ umjesto izolirajućeg dijamanta. Predstavljamokisikkontinuirano nagriza nedijamantski ugljik, omogućavajućikrupnozrnasti polikristalni dijamant na ~400 °C, temperatura kompatibilna s naprednim integriranim krugovima. Podjednako važno, proces može premazati ne samo horizontalne površine već ibočne stijenke, što je važno za inherentno 3D uređaje.

Termički granični otpor (TBR): fononsko usko grlo

Toplota u čvrstim tijelima se prenosi putemfononi(kvantizirane vibracije rešetke). Na materijalnim granicama, fononi se mogu reflektirati i gomilati, stvarajućitermički granični otpor (TBR)što ometa protok topline. Inženjering međupovršina nastoji smanjiti TBR, ali izbor je ograničen kompatibilnošću poluvodiča. Na određenim međupovršinama, miješanje može formirati tanki slojsilicijum karbid (SiC)sloj koji bolje odgovara fononskim spektrima s obje strane, djelujući kao "most" i smanjujući TBR - čime se poboljšava prijenos topline s uređaja na dijamant.

Testna platforma: GaN HEMT-ovi (radiofrekventni tranzistori)

Tranzistori visoke pokretljivosti elektrona (HEMT) bazirani na galijum nitridu kontrolišu struju u 2D elektronskom gasu i cenjeni su zbog rada na visokim frekvencijama i velikoj snazi ​​(uključujući X-pojas ≈8–12 GHz i W-pojas ≈75–110 GHz). Budući da se toplota generiše vrlo blizu površine, oni su odlična sonda za bilo koji in situ sloj koji širi toplotu. Kada tanki dijamant obavija uređaj - uključujući bočne zidove - uočeno je da temperature kanala padaju za~70 °C, sa značajnim poboljšanjima termalne snage pri velikoj snazi.

Dijamant u CMOS i 3D slojevima

U naprednom računarstvu,3D slaganjepovećava gustoću integracije i performanse, ali stvara unutarnja termalna uska grla tamo gdje su tradicionalni, vanjski hladnjaci najmanje učinkoviti. Integracija dijamanta sa silicijem može opet proizvesti koristanSiC međusloj, što rezultira visokokvalitetnim termalnim interfejsom.
Jedna predložena arhitektura jetermalna skela: nanometarski tanki dijamantski listići ugrađeni iznad tranzistora unutar dielektrika, povezani pomoćuvertikalni termalni prolazi („toplotni stubovi“)napravljeni od bakra ili dodatnog dijamanta. Ovi stubovi prenose toplotu iz sloja u sloj dok ne dođe do vanjskog hladnjaka. Simulacije s realnim radnim opterećenjima pokazuju da takve strukture mogu smanjiti vršne temperature zado reda veličineu stekovima za provjeru koncepta.

Šta ostaje teško

Ključni izazovi uključuju izradu gornje površine dijamantaatomski ravanza besprijekornu integraciju s prekrivajućim međusobnim vezama i dielektricima, te procese poboljšanja kako bi tanki filmovi održali izvrsnu toplinsku provodljivost bez naprezanja temeljnih strujnih kola.

Izgledi

Ako ovi pristupi nastave da sazrijevaju,širenje topline unutar dijamantskog čipamoglo bi značajno ublažiti termalna ograničenja u CMOS, RF i energetskoj elektronici - omogućavajući veće performanse, veću pouzdanost i gušću 3D integraciju bez uobičajenih termalnih efekata.