Неліктен заманауи чиптер қызып кетеді

Наноөлшемді транзисторлар гигагерц жиіліктерінде ауысқанда, электрондар тізбектер арқылы өтіп, жылу ретінде энергияны жоғалтады - ноутбук немесе телефон ыңғайсыз қызған кезде сезілетін жылумен бірдей. Чипке көбірек транзисторларды салу бұл жылуды кетіруге аз орын қалдырады. Кремний арқылы біркелкі таралудың орнына, жылу айналасындағы аймақтарға қарағанда ондаған градусқа ыстық болуы мүмкін ыстық нүктелерге жиналады. Зақымдану мен өнімділіктің төмендеуін болдырмау үшін жүйелер температура күрт көтерілген кезде процессорлар мен графикалық процессорларды тежейді.

Термиялық қиындықтың ауқымы

Миниатюралау жарысы ретінде басталған нәрсе барлық электроникадағы жылумен күреске айналды. Есептеулерде өнімділік қуат тығыздығын арттыра береді (жеке серверлер ондаған киловатт энергияны пайдалана алады). Байланыс саласында сандық және аналогтық тізбектер күшті сигналдар мен жылдам деректер үшін жоғары транзисторлық қуатты қажет етеді. Қуатты электроникада тиімділіктің жоғарылауы жылу шектеулерімен шектеледі.

Басқа стратегия: жылуды чиптің ішіне тарату

Жылудың шоғырлануына жол берудің орнына, перспективалы идея -сұйылтуол чиптің ішінде орналасқан – бассейнге бір кесе қайнаған су құйғандай. Егер жылу түзілген жерге таралса, ең ыстық құрылғылар салқын болып қалады, ал дәстүрлі салқындатқыштар (жылу қабылдағыштар, желдеткіштер, сұйық ілмектер) тиімдірек жұмыс істейді. Бұл үшінжоғары жылу өткізгіштікке ие, электр оқшаулағыш материалбелсенді транзисторлардан олардың нәзік қасиеттерін бұзбай тек нанометрлерді біріктірді. Күтпеген кандидат осыған сәйкес келеді:гауһар.

Неліктен гауһар?

Алмаз - ең жақсы жылу өткізгіштердің бірі, ол мыстан бірнеше есе жоғары, сонымен қатар электр оқшаулағышы болып табылады. Мәселе интеграцияда: дәстүрлі өсіру әдістері 900-1000 °C шамасында немесе одан жоғары температураны қажет етеді, бұл озық тізбектерге зиян келтіреді. Соңғы жетістіктер жұқа екенін көрсетедіполикристалды алмаспленкаларды (қалыңдығы бірнеше микрометр ғана) өсіруге боладыәлдеқайда төмен температуралардайын құрылғыларға жарамды.

Бүгінгі салқындатқыштар және олардың шектеулері

Негізгі салқындату жүйесі жылу қабылдағыштарды, желдеткіштерді және интерфейс материалдарын жақсартуға бағытталған. Зерттеушілер сонымен қатар микрофлюидті сұйықтықты салқындатуды, фазалық ауыспалы материалдарды және тіпті серверлерді жылу өткізгіш, электр оқшаулағыш сұйықтықтарға батыруды зерттейді. Бұл маңызды қадамдар, бірақ олар көлемді, қымбат немесе жаңадан пайда болып жатқан технологияларға сәйкес келмеуі мүмкін.3D-қабатталғанчип архитектуралары, мұнда бірнеше кремний қабаттары «көк ғимарат» сияқты әрекет етеді. Мұндай стектерде әрбір қабат жылуды шығаруы керек; әйтпесе ыстық нүктелер ішінде қалып қояды.

Құрылғыға ыңғайлы алмазды қалай өсіруге болады

Монокристалды алмас ерекше жылу өткізгіштікке ие (≈2200–2400 Вт м⁻¹ К⁻¹, бұл мысқа қарағанда шамамен алты есе көп). Жасалуы оңай поликристалды пленкалар жеткілікті қалыңдықта осы мәндерге жақындай алады және тіпті жұқа болған кезде де мысқа қарағанда жоғары болады. Дәстүрлі химиялық бумен тұндыру метан мен сутекті жоғары температурада әрекеттестіріп, кейінірек пленкаға бірігетін тік алмас наноколондарын түзеді; сол кезде қабат қалың, кернеулі және жарылуға бейім болады.
Төмен температурада өсіру басқа рецептті қажет етеді. Жылуды азайту оқшаулағыш алмастың орнына өткізгіш күйе береді. Кіріспеоттегіалмас емес көміртекті үздіксіз оюға мүмкіндік береді~400 °C температурада ірі түйіршікті поликристалды алмас, озық интегралдық схемалармен үйлесімді температура. Ең бастысы, процесс тек көлденең беттерді ғана емес, сонымен қатарбүйір қабырғалар, бұл табиғи түрде 3D құрылғылар үшін маңызды.

Жылулық шекаралық кедергі (TBR): фонондық бөгет

Қатты денелердегі жылу тасымалданадыфонондар(квантталған торлы тербелістер). Материалдық интерфейстерде фонондар шағылысып, үйіліп, пайда болуы мүмкінжылу шекаралық кедергісі (TBR)жылу ағынына кедергі келтіреді. Интерфейс инженериясы TBR деңгейін төмендетуге тырысады, бірақ таңдау жартылай өткізгіштердің үйлесімділігімен шектеледі. Белгілі бір интерфейстерде араластыру жұқа болуы мүмкінкремний карбиді (SiC)фонондық спектрлерге екі жағынан да жақсырақ сәйкес келетін, «көпір» қызметін атқаратын және TBR-ді азайтатын қабат, осылайша құрылғылардан алмасқа жылу беруді жақсартады.

Сынақ алаңы: GaN HEMTs (радиожиілікті транзисторлар)

2D электронды газдағы галлий нитридін басқару тогына негізделген және жоғары жиілікті, жоғары қуатты жұмыс істеуі үшін бағаланады (X-диапазоны ≈8–12 ГГц және W-диапазоны ≈75–110 ГГц қоса алғанда). Жылу бетіне өте жақын жерде пайда болатындықтан, олар кез келген in situ жылу таралатын қабатты тамаша зонд болып табылады. Жұқа гауһар құрылғыны, соның ішінде бүйір қабырғаларын капсулалаған кезде, арна температурасының төмендегені байқалды.~70 °C, жоғары қуатта жылулық кеңістікті айтарлықтай жақсартумен.

CMOS және 3D стектерідегі гауһар

Жетілдірілген есептеулерде,3D қабаттастыруинтеграция тығыздығы мен өнімділігін арттырады, бірақ дәстүрлі, сыртқы салқындатқыштар ең аз тиімді болатын ішкі термиялық кедергілерді тудырады. Алмазды кремниймен біріктіру қайтадан пайдалы нәтиже бере аладыSiC аралық қабаты, жоғары сапалы жылу интерфейсін береді.
Ұсынылған сәулет өнерінің бірі -жылулық құрылысдиэлектрик ішіндегі транзисторлардың үстіне орнатылған нанометрлік жұқа ромб парақтары, олар арқылы қосылғантік жылу өткізгіштері («жылу бағаналары»)мыстан немесе қосымша алмастан жасалған. Бұл тіректер жылуды сыртқы салқындатқышқа жеткенше қабаттан қабатқа өткізеді. Нақты жұмыс жүктемелері бар модельдеу мұндай құрылымдардың шың температураларын төмендетуі мүмкін екенін көрсетедібелгілі бір шамаға дейінтұжырымдаманы дәлелдеу жинақтарында.

Не қиын болып қала береді

Негізгі қиындықтарға гауһардың үстіңгі бетін жасау жатадыатомдық жазықжоғарғы жағындағы өзара байланыстармен және диэлектриктермен үздіксіз интеграциялау, сондай-ақ жұқа қабықшалардың негізгі тізбекке күш түсірмей тамаша жылу өткізгіштігін сақтауы үшін тазарту процестері үшін.

Болжам

Егер бұл тәсілдер жетілдіріле берсе,чип ішіндегі алмас жылуының таралуыCMOS, RF және қуат электроникасындағы жылу шектеулерін айтарлықтай жеңілдетуі мүмкін, бұл әдеттегі жылу шығындарынсыз жоғары өнімділікке, сенімділікке және тығыз 3D интеграциясына мүмкіндік береді.