Γιατί τα σύγχρονα τσιπ ζεσταίνονται

Καθώς τα νανοτράνταχτα τρανζίστορ εναλλάσσονται με ρυθμούς γιγαχέρτζ, τα ηλεκτρόνια διαπερνούν τα κυκλώματα και χάνουν ενέργεια ως θερμότητα—την ίδια θερμότητα που αισθάνεστε όταν ένας φορητός υπολογιστής ή ένα τηλέφωνο ζεσταίνονται άβολα. Η τοποθέτηση περισσότερων τρανζίστορ σε ένα τσιπ αφήνει λιγότερο χώρο για την απομάκρυνση αυτής της θερμότητας. Αντί να εξαπλώνεται ομοιόμορφα στο πυρίτιο, η θερμότητα συσσωρεύεται σε θερμά σημεία που μπορεί να είναι δεκάδες βαθμούς θερμότερα από τις γύρω περιοχές. Για να αποφευχθούν ζημιές και απώλεια απόδοσης, τα συστήματα επιβραδύνουν τις CPU και τις GPU όταν οι θερμοκρασίες κορυφώνονται.

Το εύρος της θερμικής πρόκλησης

Αυτό που ξεκίνησε ως ένας αγώνας δρόμου για τη σμίκρυνση έχει μετατραπεί σε μια μάχη με τη θερμότητα σε όλα τα ηλεκτρονικά. Στην πληροφορική, η απόδοση συνεχίζει να αυξάνει την πυκνότητα ισχύος (οι μεμονωμένοι διακομιστές μπορούν να καταναλώνουν της τάξης των δεκάδων κιλοβάτ). Στις επικοινωνίες, τόσο τα ψηφιακά όσο και τα αναλογικά κυκλώματα απαιτούν υψηλότερη ισχύ τρανζίστορ για ισχυρότερα σήματα και ταχύτερα δεδομένα. Στα ηλεκτρονικά ισχύος, η καλύτερη απόδοση περιορίζεται ολοένα και περισσότερο από θερμικούς περιορισμούς.

Μια διαφορετική στρατηγική: διάδοση θερμότητας μέσα στο τσιπ

Αντί να αφήνουμε τη θερμότητα να συγκεντρώνεται, μια πολλά υποσχόμενη ιδέα είναι νααραιωμένοςμέσα στο ίδιο το τσιπ—σαν να ρίχνεις ένα φλιτζάνι βραστό νερό σε μια πισίνα. Αν η θερμότητα διαχέεται ακριβώς εκεί που παράγεται, οι πιο καυτές συσκευές παραμένουν πιο δροσερές και οι συμβατικές ψύκτες (ψύκτρες, ανεμιστήρες, υγροί βρόχοι) λειτουργούν πιο αποτελεσματικά. Αυτό απαιτεί έναυλικό υψηλής θερμικής αγωγιμότητας, ηλεκτρικά μονωτικόενσωματώθηκαν μόλις νανόμετρα από ενεργά τρανζίστορ χωρίς να διαταραχθούν οι ευαίσθητες ιδιότητές τους. Ένας απροσδόκητος υποψήφιος ταιριάζει σε αυτό:διαμάντι.

Γιατί διαμάντι;

Το διαμάντι είναι από τους καλύτερους γνωστούς θερμικούς αγωγούς—αρκετές φορές υψηλότερος από τον χαλκό—ενώ είναι επίσης ηλεκτρικός μονωτής. Το πρόβλημα είναι η ενσωμάτωση: οι συμβατικές μέθοδοι ανάπτυξης απαιτούν θερμοκρασίες γύρω στους 900–1000 °C ή πάνω, κάτι που θα μπορούσε να προκαλέσει ζημιά στα προηγμένα κυκλώματα. Πρόσφατες εξελίξεις δείχνουν ότι τα λεπτάπολυκρυσταλλικό διαμάντιμεμβράνες (πάχους μόνο μερικών μικρομέτρων) μπορούν να καλλιεργηθούν σεπολύ χαμηλότερες θερμοκρασίεςκατάλληλο για ολοκληρωμένες συσκευές.

Τα σημερινά ψυγεία και τα όριά τους

Η κύρια ψύξη επικεντρώνεται σε καλύτερους ψύκτρες, ανεμιστήρες και υλικά διεπαφής. Οι ερευνητές διερευνούν επίσης την μικρορευστοποιητική υγρή ψύξη, τα υλικά αλλαγής φάσης, ακόμη και την εμβάπτιση διακομιστών σε θερμικά αγώγιμα, ηλεκτρικά μονωτικά υγρά. Αυτά είναι σημαντικά βήματα, αλλά μπορεί να είναι ογκώδη, ακριβά ή να μην ταιριάζουν σωστά με τα αναδυόμενατρισδιάστατα στοιβαγμένοαρχιτεκτονικές τσιπ, όπου πολλαπλά στρώματα πυριτίου συμπεριφέρονται σαν «ουρανοξύστης». Σε τέτοιες στοίβες, κάθε στρώμα πρέπει να αποβάλλει θερμότητα, διαφορετικά τα θερμά σημεία παγιδεύονται στο εσωτερικό τους.

Πώς να καλλιεργήσετε διαμάντι φιλικό προς τις συσκευές

Το μονοκρυσταλλικό διαμάντι έχει εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, περίπου έξι φορές μεγαλύτερη από αυτή του χαλκού). Οι ευκολότερες στην κατασκευή πολυκρυσταλλικές μεμβράνες μπορούν να προσεγγίσουν αυτές τις τιμές όταν είναι αρκετά παχιές - και εξακολουθούν να είναι ανώτερες από τον χαλκό ακόμη και όταν είναι λεπτότερες. Η παραδοσιακή χημική εναπόθεση ατμών αντιδρά μεθάνιο και υδρογόνο σε υψηλή θερμοκρασία, σχηματίζοντας κάθετες νανοστήλες διαμαντιού που αργότερα συγχωνεύονται σε μια μεμβράνη. Μέχρι τότε το στρώμα είναι παχύ, καταπονημένο και επιρρεπές σε ρωγμές.
Η ανάπτυξη σε χαμηλότερες θερμοκρασίες απαιτεί διαφορετική συνταγή. Η απλή μείωση της θερμότητας αποδίδει αγώγιμη αιθάλη αντί για μονωτικό διαμάντι.οξυγόνοσυνεχώς χαράζει άνθρακα που δεν προέρχεται από διαμάντια, επιτρέπονταςπολυκρυσταλλικό διαμάντι μεγάλου κόκκου στους ~400 °C, μια θερμοκρασία συμβατή με προηγμένα ολοκληρωμένα κυκλώματα. Εξίσου σημαντικό είναι ότι η διαδικασία μπορεί να επικαλύψει όχι μόνο οριζόντιες επιφάνειες αλλά καιπλευρικά τοιχώματα, το οποίο έχει σημασία για εγγενώς τρισδιάστατες συσκευές.

Θερμική οριακή αντίσταση (TBR): το σημείο συμφόρησης φωνονίων

Η θερμότητα στα στερεά μεταφέρεται απόφωνόνια(κβαντισμένες δονήσεις πλέγματος). Στις διεπιφάνειες υλικών, τα φωνόνια μπορούν να ανακλαστούν και να συσσωρευτούν, δημιουργώνταςθερμική οριακή αντίσταση (TBR)που εμποδίζει τη ροή θερμότητας. Η μηχανική διεπαφών επιδιώκει να μειώσει το TBR, αλλά οι επιλογές περιορίζονται από τη συμβατότητα ημιαγωγών. Σε ορισμένες διεπαφές, η ανάμειξη μπορεί να σχηματίσει ένα λεπτόκαρβίδιο του πυριτίου (SiC)στρώμα που ταιριάζει καλύτερα με τα φάσματα φωνόνων και στις δύο πλευρές, λειτουργώντας ως «γέφυρα» και μειώνοντας το TBR — βελτιώνοντας έτσι τη μεταφορά θερμότητας από τις συσκευές στο διαμάντι.

Μια πλατφόρμα δοκιμών: GaN HEMTs (τρανζίστορ ραδιοσυχνοτήτων)

Τα τρανζίστορ υψηλής κινητικότητας ηλεκτρονίων (HEMT) βασίζονται σε ρεύμα ελέγχου νιτριδίου του γαλλίου σε ένα δισδιάστατο αέριο ηλεκτρονίων και είναι πολύτιμα για λειτουργία υψηλής συχνότητας και ισχύος (συμπεριλαμβανομένης της ζώνης Χ ≈8–12 GHz και της ζώνης W ≈75–110 GHz). Επειδή η θερμότητα παράγεται πολύ κοντά στην επιφάνεια, αποτελούν έναν εξαιρετικό ανιχνευτή οποιουδήποτε in situ στρώματος που διαδίδει θερμότητα. Όταν λεπτό διαμάντι περιβάλλει τη συσκευή - συμπεριλαμβανομένων των πλευρικών τοιχωμάτων - οι θερμοκρασίες του καναλιού έχουν παρατηρηθεί να μειώνονται κατά...~70 °C, με σημαντικές βελτιώσεις στο θερμικό ύψος σε υψηλή ισχύ.

Διαμάντι σε CMOS και τρισδιάστατες στοίβες

Στην προηγμένη πληροφορική,τρισδιάστατη στοίβαξηαυξάνει την πυκνότητα και την απόδοση ενσωμάτωσης, αλλά δημιουργεί εσωτερικά θερμικά σημεία συμφόρησης όπου τα παραδοσιακά, εξωτερικά ψυγεία είναι λιγότερο αποτελεσματικά. Η ενσωμάτωση διαμαντιού με πυρίτιο μπορεί και πάλι να παράγει ένα ευεργετικόΕνδιάμεσο στρώμα SiC, αποδίδοντας μια θερμική διεπαφή υψηλής ποιότητας.
Μία προτεινόμενη αρχιτεκτονική είναιθερμική σκαλωσιά: φύλλα διαμαντιού λεπτών νανομέτρου ενσωματωμένα πάνω από τρανζίστορ μέσα στο διηλεκτρικό, συνδεδεμένα μεκατακόρυφες θερμικές οπές ("θερμικές κολώνες")κατασκευασμένα από χαλκό ή επιπλέον διαμάντι. Αυτοί οι πυλώνες μεταφέρουν θερμότητα από στρώμα σε στρώμα μέχρι να φτάσει σε ένα εξωτερικό ψύκτη. Προσομοιώσεις με ρεαλιστικά φόρτα εργασίας δείχνουν ότι τέτοιες κατασκευές μπορούν να μειώσουν τις μέγιστες θερμοκρασίες κατάμέχρι μιας τάξης μεγέθουςσε στοίβες απόδειξης ιδέας.

Αυτό που παραμένει δύσκολο

Οι βασικές προκλήσεις περιλαμβάνουν την κατασκευή της άνω επιφάνειας του διαμαντιούατομικά επίπεδογια απρόσκοπτη ενσωμάτωση με υπερκείμενες διασυνδέσεις και διηλεκτρικά, και διαδικασίες βελτίωσης, ώστε οι λεπτές μεμβράνες να διατηρούν εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα χωρίς να καταπονούν τα υποκείμενα κυκλώματα.

Αποψη

Αν αυτές οι προσεγγίσεις συνεχίσουν να ωριμάζουν,ενσωματωμένη διαμαντένια εξάπλωση θερμότηταςθα μπορούσε να χαλαρώσει σημαντικά τα θερμικά όρια στα CMOS, RF και ηλεκτρονικά ισχύος, επιτρέποντας υψηλότερη απόδοση, μεγαλύτερη αξιοπιστία και πυκνότερη ενσωμάτωση 3D χωρίς τις συνήθεις θερμικές ποινές.