Zašto se moderni čipovi zagrijavaju

Dok se nanotranzistori prebacuju brzinom od gigaherca, elektroni jure kroz krugove i gube energiju kao toplinu - istu toplinu koju osjećate kada se prijenosno računalo ili telefon neugodno zagriju. Pakiranje većeg broja tranzistora na čip ostavlja manje prostora za uklanjanje te topline. Umjesto da se ravnomjerno širi kroz silicij, toplina se nakuplja u vrućim točkama koje mogu biti desetke stupnjeva toplije od okolnih područja. Kako bi se izbjegla oštećenja i gubitak performansi, sustavi smanjuju CPU i GPU kada temperature naglo porastu.

Opseg termalnog izazova

Ono što je započelo kao utrka za minijaturizacijom pretvorilo se u bitku s toplinom u svoj elektronici. U računalstvu, performanse neprestano povećavaju gustoću snage (pojedinačni poslužitelji mogu trošiti desetke kilovata). U komunikacijama, i digitalni i analogni sklopovi zahtijevaju veću snagu tranzistora za jače signale i brže podatke. U energetskoj elektronici, bolja učinkovitost je sve više ograničena toplinskim ograničenjima.

Drugačija strategija: širenje topline unutar čipa

Umjesto da se toplina koncentrira, obećavajuća ideja jerazrijeditiunutar samog čipa - kao da ulijete šalicu kipuće vode u bazen. Ako se toplina širi točno tamo gdje se stvara, najtopliji uređaji ostaju hladniji, a konvencionalni hladnjaci (hladnjaci, ventilatori, tekuće petlje) rade učinkovitije. To zahtijevavisoko toplinsko vodljivi, električno izolacijski materijalintegrirano samo nanometara iz aktivnih tranzistora bez narušavanja njihovih osjetljivih svojstava. Neočekivani kandidat odgovara ovom opisu:dijamant.

Zašto dijamant?

Dijamant je među najboljim poznatim toplinskim vodičima - nekoliko puta bolji od bakra - a ujedno je i električni izolator. Kvaka je u integraciji: konvencionalne metode rasta zahtijevaju temperature oko 900–1000 °C ili više, što bi oštetilo napredne sklopove. Nedavni napredak pokazuje da tankipolikristalni dijamantfilmovi (debljine samo nekoliko mikrometara) mogu se uzgajati namnogo niže temperaturepogodno za gotove uređaje.

Današnji hladnjaci i njihova ograničenja

Uobičajeno hlađenje usmjereno je na bolje hladnjake, ventilatore i materijale za međupovršine. Istraživači također istražuju mikrofluidno tekuće hlađenje, materijale za promjenu faze, pa čak i uranjanje poslužitelja u toplinski vodljive, električno izolacijske tekućine. To 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; inače su vruća mjesta zarobljena unutra.

Kako uzgojiti dijamant prilagođen uređajima

Monokristalni dijamant ima izvanrednu toplinsku vodljivost (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, oko šest puta više od bakra). Polikristalni filmovi koje je lakše izraditi mogu se približiti tim vrijednostima kada su dovoljno debeli - i još uvijek su superiorniji od bakra čak i kada su tanji. Tradicionalno kemijsko taloženje parom reagira s metanom i vodikom na visokoj temperaturi, formirajući vertikalne dijamantne nanostunice koje se kasnije spajaju u film; do tada je sloj debeo, napet i sklon pucanju.
Rast na nižim temperaturama zahtijeva drugačiji recept. Jednostavnim smanjenjem topline nastaje vodljiva čađa umjesto izolacijskog dijamanta. Predstavljamokisikkontinuirano nagriza nedijamantni ugljik, omogućujućikrupnozrnati polikristalni dijamant na ~400 °C, temperatura kompatibilna s naprednim integriranim krugovima. Jednako važno, proces može premazati ne samo horizontalne površine već ibočne stijenke, što je važno za inherentno 3D uređaje.

Toplinski granični otpor (TBR): fononsko usko grlo

Toplina u čvrstim tvarima prenosi sefononi(kvantizirane vibracije rešetke). Na materijalnim granicama, fononi se mogu reflektirati i gomilati, stvarajućitoplinski 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 slojsilicijev 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.

Ispitna platforma: GaN HEMT-ovi (radiofrekventni tranzistori)

Tranzistori visoke pokretljivosti elektrona (HEMT) temeljeni na galijevom nitridu kontroliraju struju u 2D elektronskom plinu i cijenjeni su zbog rada na visokim frekvencijama i velikoj snazi ​​(uključujući X-pojas ≈8–12 GHz i W-pojas ≈75–110 GHz). Budući da se toplina stvara vrlo blizu površine, izvrsna su sonda za bilo koji in situ sloj koji širi toplinu. Kada tanki dijamant obavije uređaj - uključujući bočne stijenke - uočeno je da temperature kanala padaju za~70 °C, sa značajnim poboljšanjima toplinske snage pri velikoj snazi.

Dijamant u CMOS i 3D slojevima

U naprednom računarstvu,3D slaganjepovećava gustoću integracije i performanse, ali stvara unutarnja toplinska uska grla gdje su tradicionalni, vanjski hladnjaci najmanje učinkoviti. Integracija dijamanta sa silicijem ponovno može proizvesti koristanSiC međusloj, što rezultira visokokvalitetnim toplinskim sučeljem.
Jedna predložena arhitektura jetermalna skela: nanometarski tanki dijamantni listići ugrađeni iznad tranzistora unutar dielektrika, povezani pomoćuvertikalni toplinski otvori („toplinski stupovi“)izrađene od bakra ili dodatnog dijamanta. Ovi stupovi prenose toplinu iz sloja u sloj dok ne dosegne vanjski hladnjak. Simulacije s realnim opterećenjima pokazuju da takve strukture mogu smanjiti vršne temperature zado reda veličineu stogovima za provjeru koncepta.

Što ostaje teško

Ključni izazovi uključuju izradu gornje površine dijamantaatomski ravanza besprijekornu integraciju s prekrivajućim međuspojevima i dielektricima te procese poboljšanja kako bi tanki filmovi održali izvrsnu toplinsku vodljivost bez naprezanja temeljnih strujnih krugova.

Izgledi

Ako se ovi pristupi nastave razvijati,širenje topline unutar dijamantamoglo bi znatno ublažiti toplinska ograničenja u CMOS-u, RF-u i energetskoj elektronici - omogućujući veće performanse, veću pouzdanost i gušću 3D integraciju bez uobičajenih toplinskih kazni.