Miks tänapäevased kiibid kuumaks lähevad

Kuna nanoskaala transistorid lülituvad gigahertsi kiirusel, voolavad elektronid läbi vooluringide ja kaotavad energiat soojusena – sama soojust, mida tunnete sülearvuti või telefoni ebamugavalt soojaks muutudes. Rohkemate transistoride paigutamine kiibile jätab selle soojuse eemaldamiseks vähem ruumi. Selle asemel, et räni ulatuses ühtlaselt jaotuda, koguneb soojus kuumadesse kohtadesse, mis võivad olla kümneid kraadisid kuumemad kui ümbritsevad piirkonnad. Kahjustuste ja jõudluse vähenemise vältimiseks piiravad süsteemid temperatuuri tõustes protsessorite ja graafikaprotsessorite tööd.

Termilise väljakutse ulatus

See, mis algas miniaturiseerimise võidujooksuna, on muutunud võitluseks kuumusega kogu elektroonikas. Arvutiteaduses surub jõudlus pidevalt energiatihedust kõrgemale (üksikud serverid võivad tarbida kümneid kilovatte). Sidetehnoloogias vajavad nii digitaal- kui ka analoogahelad tugevamate signaalide ja kiirema andmeedastuse saavutamiseks suuremat transistorivõimsust. Võimsuselektroonikas piiravad paremat efektiivsust üha enam termilised piirangud.

Teistsugune strateegia: levitada soojust kiibi sees

Soojuse kontsentreerumise asemel on paljutõotav ideelahjendatudseda kiibi enda sees – nagu tassi keeva vee valamine basseini. Kui soojus levib otse seal, kus see tekib, püsivad kuumimad seadmed jahedamana ja tavapärased jahutid (jahutusradiaatorid, ventilaatorid, vedelikukontuurid) töötavad tõhusamalt. See nõuabkõrge soojusjuhtivusega, elektriisolatsiooniga materjalintegreeris aktiivsetest transistoridest vaid nanomeetreid, häirimata nende tundlikke omadusi. Ootamatu kandidaat sobib sellele kriteeriumile:teemant.

Miks teemant?

Teemant on üks parimaid teadaolevaid soojusjuhte – mitu korda parem kui vasel – ja samal ajal ka elektriisolaator. Konks on integreerimises: tavapärased kasvatusmeetodid vajavad temperatuuri umbes 900–1000 °C või kõrgemal, mis kahjustaks täiustatud vooluringe. Hiljutised edusammud näitavad, et õhukesedpolükristalliline teemantkilesid (ainult mõne mikromeetri paksuseid) saab kasvatadapalju madalamad temperatuuridsobib valmisseadmetele.

Tänapäeva jahutid ja nende piirid

Peavoolu jahutus keskendub parematele jahutusradiaatoritele, ventilaatoritele ja liidesematerjalidele. Teadlased uurivad ka mikrofluidset vedelikjahutust, faasimuutusmaterjale ja isegi serverite kastmist termiliselt juhtivatesse, elektriliselt isoleerivatesse vedelikesse. Need on olulised sammud, kuid need võivad olla mahukad, kallid või halvasti sobitatud tekkivate vajadustega.3D-virnastatudkiibiarhitektuurid, kus mitu ränikihti käituvad nagu „pilvelõhkuja“. Sellistes virnades peab iga kiht soojust eraldama; vastasel juhul jäävad kuumad kohad sisse lõksu.

Kuidas seadmesõbralikku teemanti kasvatada

Monokristallilise teemandi soojusjuhtivus on erakordne (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, umbes kuus korda suurem kui vasel). Lihtsasti valmistatavad polükristallilised kiled võivad piisavalt paksude korral nendele väärtustele läheneda – ja on isegi õhematena vasest paremad. Traditsiooniline keemiline sadestamine reageerib metaani ja vesinikuga kõrgel temperatuuril, moodustades vertikaalseid teemantnanokolonne, mis hiljem sulanduvad kileks; selleks ajaks on kiht paks, pingestatud ja altid pragunemisele.
Madalamal temperatuuril kasv nõuab teistsugust retsepti. Juba kuumuse vähendamine annab isoleeriva teemandi asemel juhtiva tahma.hapniksöövitab pidevalt mitte-teemantsüsinikku, võimaldadessuureteraline polükristalliline teemant temperatuuril ~400 °C, temperatuuri, mis ühildub täiustatud integraallülitustega. Sama oluline on see, et protsessi abil saab katta mitte ainult horisontaalseid pindu, vaid kakülgseinad, mis on oluline loomupäraselt 3D-seadmete puhul.

Termiline piirtakistus (TBR): foononi pudelikael

Tahkete ainete soojust kannavadfoononid(kvantiseeritud võre vibratsioonid). Materjali piirpindadel võivad foononid peegelduda ja kuhjuda, luuestermiline piirtakistus (TBR)mis takistab soojusvoogu. Liideste projekteerimine püüab vähendada läbilaskevõime suhet (TBR), kuid valikuvõimalusi piirab pooljuhtide ühilduvus. Teatud liideste korral võib segunemine moodustada õhukese kihi.ränikarbiid (SiC)kiht, mis sobib paremini foononspektritega mõlemal küljel, toimides "sillana" ja vähendades TBR-i, parandades seeläbi soojusülekannet seadmetest teemanti.

Testimiskeskkond: GaN HEMT-id (raadiosageduslikud transistorid)

2D elektrongaasis galliumnitriidil põhinevad suure elektronmobiilsusega transistorid (HEMT-id) on hinnatud oma kõrgsagedusliku ja suure võimsusega töö tõttu (sealhulgas X-riba ≈8–12 GHz ja W-riba ≈75–110 GHz). Kuna soojus tekib väga pinna lähedal, on need suurepärased sondid mis tahes kohapealse soojust leviva kihi uurimiseks. Kui õhuke teemant kapseldab seadme – sealhulgas külgseinad –, on täheldatud, et kanali temperatuurid langevad~70 °C, kusjuures suure võimsuse juures on termiline pearuum oluliselt paranenud.

Teemant CMOS-is ja 3D-virnades

Täiustatud andmetöötluses3D-virnastaminesuurendab integreerimise tihedust ja jõudlust, kuid loob sisemisi termilisi kitsaskohti kohtades, kus traditsioonilised välised jahutid on kõige vähem tõhusad. Teemandi ja räni integreerimine võib taas anda kasuliku tulemuse.SiC vahekiht, andes tulemuseks kvaliteetse termilise liidese.
Üks pakutud arhitektuur ontermiline telling: dielektrikus transistoride kohale paigutatud nanomeetri õhukesed teemantlehed, mis on omavahel ühendatudvertikaalsed termilised läbipääsud („soojussambad“)valmistatud vasest või täiendavast teemandist. Need sambad juhivad soojust kihist kihti, kuni see jõuab välise jahutini. Realistlike töökoormustega simulatsioonid näitavad, et sellised struktuurid võivad tipptemperatuure vähendadakuni suurusjärgunikontseptsioonitõestuste virnades.

Mis jääb keeruliseks

Peamised väljakutsed hõlmavad teemandi pealispinna valmistamistaatomiliselt tasanesujuvaks integreerimiseks pealiskaudsete ühenduste ja dielektrikutega ning täiustamisprotsesside jaoks, et õhukesed kiled säilitaksid suurepärase soojusjuhtivuse ilma alusahelaid koormamata.

Väljavaated

Kui need lähenemisviisid edasi arenevad,teemandi kuumuse levik kiibisvõiks oluliselt leevendada CMOS-i, raadiosageduse ja võimsuselektroonika termilisi piiranguid, võimaldades suuremat jõudlust, suuremat töökindlust ja tihedamat 3D-integratsiooni ilma tavapäraste termiliste karistusteta.