Зошто модерните чипови се загреваат

Бидејќи наноразмерните транзистори се префрлаат со гигахерцни брзини, електроните брзаат низ колата и губат енергија како топлина - истата топлина што ја чувствувате кога лаптопот или телефонот се загрева непријатно. Спакувањето повеќе транзистори на чип остава помалку простор за отстранување на таа топлина. Наместо рамномерно да се шири низ силиконот, топлината се акумулира во жаришта кои можат да бидат десетици степени потопли од околните региони. За да се избегне оштетување и губење на перформансите, системите ги забрзуваат процесорите и графичките процесори кога температурите се зголемуваат.

Опсегот на термичкиот предизвик

Она што започна како трка за минијатуризација, се претвори во битка со топлината низ целата електроника. Во компјутерите, перформансите продолжуваат да ја зголемуваат густината на моќност (поединечните сервери можат да трошат околу десетици киловати). Во комуникациите, и дигиталните и аналогните кола бараат поголема моќност на транзисторите за посилни сигнали и побрзи податоци. Во енергетската електроника, подобрата ефикасност е сè повеќе ограничена од термичките ограничувања.

Различна стратегија: ширење на топлината во чипот

Наместо да се концентрира топлината, ветувачка идеја е да серазредуватоа во самиот чип - како да истурате чаша врела вода во базен. Ако топлината се шири точно таму каде што се генерира, најжешките уреди остануваат постудени, а конвенционалните ладилници (ладилници, вентилатори, течни јамки) работат поефикасно. Ова бараматеријал со висока топлинска спроводливост, електрично изолационен материјалинтегрирани само нанометри од активни транзистори без нарушување на нивните деликатни својства. Неочекуван кандидат одговара на ова:дијамант.

Зошто дијамант?

Дијамантот е меѓу најдобрите познати топлински спроводници - неколку пати повисок од бакарот - а воедно е и електричен изолатор. Проблемот е интеграцијата: конвенционалните методи на раст бараат температури околу или над 900–1000 °C, што би ги оштетило напредните кола. Неодамнешните достигнувања покажуваат дека тенкитеполикристален дијамантфилмови (дебели само неколку микрометри) можат да се одгледуваат намногу пониски температурипогоден за готови уреди.

Денешните ладилници и нивните ограничувања

Главното ладење се фокусира на подобри ладилници, вентилатори и материјали за интерфејс. Истражувачите исто така истражуваат микрофлуидно течно ладење, материјали за промена на фаза, па дури и потопување на сервери во термички спроводливи, електрично изолациски течности. Ова се важни чекори, но можат да бидат гломазни, скапи или лошо усогласени со новите технологии.3D-стекираночип архитектури, каде што повеќе силиконски слоеви се однесуваат како „облакодер“. Во ваквите слоеви, секој слој мора да испушта топлина; во спротивно, жариштата се заробени внатре.

Како да одгледувате дијамант погоден за уреди

Еднокристалниот дијамант има извонредна топлинска спроводливост (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, околу шест пати поголема од бакарот). Поликристалните филмови што полесно се прават можат да се приближат до овие вредности кога се доволно дебели - и сепак се супериорни во однос на бакарот дури и кога се потенки. Традиционалното хемиско таложење на пареа реагира со метан и водород на висока температура, формирајќи вертикални дијамантски наноколони кои подоцна се спојуваат во филм; дотогаш слојот е дебел, напрегнат и склонен кон пукање.
Растот на пониски температури бара различен рецепт. Едноставното намалување на топлината дава спроводлива саѓи, наместо изолационен дијамант. Воведувањекислородконтинуирано гравира недијамантски јаглерод, овозможувајќикрупнозрнест поликристален дијамант на ~400 °C, температура компатибилна со напредни интегрирани кола. Исто толку важно е што процесот може да обложи не само хоризонтални површини, туку истранични ѕидови, што е важно за инхерентно 3D уредите.

Термички граничен отпор (TBR): тесно грло на фононот

Топлината во цврстите тела се пренесува прекуфонони(квантизирани вибрации на решеткастата мрежа). На материјалните граничници, фононите можат да се рефлектираат и да се натрупуваат, создавајќитермички граничен отпор (TBR)што го попречува протокот на топлина. Инженерството на интерфејси се стреми да го намали TBR, но изборите се ограничени од компатибилноста на полупроводниците. На одредени интерфејси, мешањето може да формира теноксилициум карбид (SiC)слој што подобро ги совпаѓа фононските спектри од двете страни, делувајќи како „мост“ и намалувајќи го TBR - со што се подобрува преносот на топлина од уредите во дијамантот.

Тестен простор: GaN HEMT (радиофреквенциски транзистори)

Транзистори со висока електронска мобилност (HEMT) базирани на контролна струја од галиум нитрид во 2D електронски гас и се ценети за работа со висока фреквенција и голема моќност (вклучувајќи X-опсег ≈8–12 GHz и W-опсег ≈75–110 GHz). Бидејќи топлината се генерира многу блиску до површината, тие се одлична сонда за кој било слој што ја шири топлината in-situ. Кога тенок дијамант го обвиткува уредот - вклучувајќи ги и страничните ѕидови - забележано е дека температурите на каналот паѓаат за~70 °C, со значителни подобрувања во термичкиот простор при голема моќност.

Дијамант во CMOS и 3D стекови

Во напредното компјутерство,3Д редењеја зголемува густината и перформансите на интеграцијата, но создава внатрешни термички тесни грла каде што традиционалните, надворешни ладилници се најмалку ефикасни. Интегрирањето на дијамант со силикон повторно може да произведе корисенSiC меѓуслој, што дава висококвалитетен термички интерфејс.
Една предложена архитектура етермичко скеле: нанометри тенки дијамантски листови вградени над транзисторите во диелектрикот, поврзани совертикални термички премини („топлински столбови“)направени од бакар или дополнителен дијамант. Овие столбови ја пренесуваат топлината од слој до слој сè додека не стигне до надворешен ладилник. Симулациите со реални работни оптоварувања покажуваат дека ваквите структури можат да ги намалат врвните температури задо ред на големинаво стекови за доказ за концепт.

Што останува тешко

Клучните предизвици вклучуваат изработка на горната површина на дијамантотатомски раменза беспрекорна интеграција со покривни меѓусебни врски и диелектрици, како и процеси на рафинирање, така што тенките филмови одржуваат одлична топлинска спроводливост без да го оптоваруваат основното коло.

Перспектива

Ако овие пристапи продолжат да созреваат,дијамантско ширење на топлина во чипотби можело значително да ги олабави термичките ограничувања во CMOS, RF и енергетската електроника - овозможувајќи повисоки перформанси, поголема сигурност и погуста 3D интеграција без вообичаените термички казни.