Зашто се модерни чипови прегревају

Како се наноразмерни транзистори пребацују брзином од гигахерца, електрони јуре кроз кола и губе енергију као топлоту – исту топлоту коју осећате када се лаптоп или телефон непријатно загреју. Паковање већег броја транзистора на чип оставља мање простора за одвођење те топлоте. Уместо да се равномерно распореди кроз силицијум, топлота се акумулира у врућим тачкама које могу бити десетине степени топлије од околних подручја. Да би се избегла оштећења и губитак перформанси, системи смањују брзину процесора и графичких картица када температуре нагло порасту.

Обим термалног изазова

Оно што је почело као трка за минијатуризацијом претворило се у битку са топлотом у целокупној електроници. У рачунарству, перформансе стално повећавају густину снаге (појединачни сервери могу да троше реда величине десетина киловата). У комуникацијама, и дигитална и аналогна кола захтевају већу снагу транзистора за јаче сигнале и бржи пренос података. У енергетској електроници, боља ефикасност је све више ограничена термичким ограничењима.

Другачија стратегија: ширење топлоте унутар чипа

Уместо да дозволимо да се топлота концентрише, обећавајућа идеја је да серазблажитиунутар самог чипа - као када сипате шољу кључале воде у базен. Ако се топлота шири тачно тамо где се генерише, најтоплији уређаји остају хладнији, а конвенционални хладњаци (хладњаци, вентилатори, течне петље) раде ефикасније. Ово захтева...материјал са високом топлотном проводљивошћу, електрично изолациони материјалинтегрисао је само нанометре из активних транзистора без нарушавања њихових осетљивих својстава. Неочекивани кандидат испуњава овај услов:дијамант.

Зашто дијамант?

Дијамант је међу најбољим познатим топлотним проводницима – неколико пута бољи од бакра – а истовремено је и електрични изолатор. Квачица је у интеграцији: конвенционалне методе раста захтевају температуре око или изнад 900–1000 °C, што би оштетило напредна кола. Недавни напредак показује да танки...поликристални дијамантфилмови (дебљине само неколико микрометара) могу се узгајати намного ниже температурепогодно за готове уређаје.

Данашњи хладњаци и њихова ограничења

Главно хлађење се фокусира на боље хладњаке, вентилаторе и материјале за интерфејс. Истраживачи такође истражују микрофлуидно течно хлађење, материјале за промену фазе, па чак и потапање сервера у топлотно проводљиве, електрично изолационе течности. Ово су важни кораци, али могу бити гломазни, скупи или лоше усклађени са новим технологијама.3D-сложеноархитектуре чипова, где се више слојева силицијума понаша као „небодер“. У таквим слојевима, сваки слој мора да одводи топлоту; у супротном, вруће тачке остају заробљене унутра.

Како узгајати дијамант прилагођен уређајима

Монокристални дијамант има изванредну топлотну проводљивост (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, око шест пута већу од бакра). Поликристални филмови који се лакше праве могу се приближити овим вредностима када су довољно дебели — и даље су супериорнији од бакра чак и када су тањи. Традиционално хемијско таложење из парне фазе реагује метан и водоник на високој температури, формирајући вертикалне дијамантске наноколоне које се касније спајају у филм; до тада је слој дебео, напрегнут и склон пуцању.
Раст на нижим температурама захтева другачији рецепт. Једноставним смањењем топлоте добија се проводљива чађ уместо изолационог дијаманта. Представљамокисеоникконтинуирано нагриза недијамантски угљеник, омогућавајућиполикристални дијамант крупног зрна на ~400 °C, температура компатибилна са напредним интегрисаним колима. Подједнако важно, процес може да премаже не само хоризонталне површине већ ибочни зидови, што је важно за инхерентно 3Д уређаје.

Термички гранични отпор (TBR): фононско уско грло

Топлота у чврстим телима се преноси помоћуфонони(квантизоване вибрације решетке). На материјалним интерфејсима, фонони се могу рефлектовати и нагомилати, стварајућитермички гранични отпор (TBR)што омета проток топлоте. Инжењеринг интерфејса тежи смањењу TBR-а, али избори су ограничени компатибилношћу полупроводника. На одређеним интерфејсима, мешање може формирати танак слојсилицијум карбид (SiC)слој који боље одговара фононским спектрима са обе стране, делујући као „мост“ и смањујући TBR — чиме се побољшава пренос топлоте са уређаја на дијамант.

Тестни полигон: GaN HEMT-ови (радиофреквентни транзистори)

Транзистори са високом мобилношћу електрона (HEMT) засновани на галијум нитриду контролишу струју у 2D електронском гасу и цењени су због рада на високим фреквенцијама и великој снази (укључујући X-опсег ≈8–12 GHz и W-опсег ≈75–110 GHz). Пошто се топлота генерише веома близу површине, они су одлична сонда за било који in situ слој за ширење топлоте. Када танак дијамант обухвати уређај - укључујући бочне зидове - примећено је да температуре канала падају за~70 °C, са значајним побољшањима термалног простора при великој снази.

Дијамант у CMOS и 3D стековима

У напредном рачунарству,3Д слагањеповећава густину интеграције и перформансе, али ствара унутрашња термална уска грла тамо где су традиционални, спољни хладњаци најмање ефикасни. Интеграција дијаманта са силицијумом може поново произвести користанSiC међуслој, што даје висококвалитетни термички интерфејс.
Једна предложена архитектура јетермална скела: нанометарски танки дијамантски листови уграђени изнад транзистора унутар диелектрика, повезани савертикални термални отвори („топлотни стубови“)направљени од бакра или додатног дијаманта. Ови стубови преносе топлоту из слоја у слој док не стигне до спољашњег хладњака. Симулације са реалним радним оптерећењима показују да такве структуре могу смањити вршне температуре задо реда величинеу стековима за доказивање концепта.

Шта остаје тешко

Кључни изазови укључују израду горње површине дијамантаатомски равноза беспрекорну интеграцију са прекривајућим међусобним везама и диелектрицима, и процесе рафинирања тако да танки филмови одржавају одличну топлотну проводљивост без оптерећења основних кола.

Изгледи

Ако ови приступи наставе да сазревају,ширење топлоте унутар чипа дијамантамогло би значајно да смањи термална ограничења у CMOS, RF и енергетској електроници — омогућавајући веће перформансе, већу поузданост и гушћу 3D интеграцију без уобичајених термичких казни.