რატომ ცხელდება თანამედროვე ჩიპები

როდესაც ნანომასშტაბიანი ტრანზისტორები გიგაჰერცული სიჩქარით გადართავენ, ელექტრონები წრედებში გადაადგილდებიან და ენერგიას სითბოს სახით კარგავენ - იგივე სითბოს, რომელსაც გრძნობთ, როდესაც ლეპტოპი ან ტელეფონი არასასიამოვნოდ თბება. ჩიპზე მეტი ტრანზისტორის ჩასმა ამ სითბოს მოსაშორებლად ნაკლებ ადგილს ტოვებს. სილიკონში თანაბრად გავრცელების ნაცვლად, სითბო გროვდება ცხელ წერტილებში, რომლებიც შეიძლება ათობით გრადუსით უფრო ცხელი იყოს, ვიდრე მიმდებარე რეგიონები. დაზიანებისა და შესრულების შემცირების თავიდან ასაცილებლად, სისტემები აფერხებენ პროცესორებისა და გრაფიკული პროცესორების მუშაობას ტემპერატურის მკვეთრი მატებისას.

თერმული გამოწვევის მასშტაბები

ის, რაც მინიატურიზაციისკენ რბოლად დაიწყო, ყველა ელექტრონიკის მასშტაბით სიცხესთან ბრძოლაში გადაიზარდა. გამოთვლით ტექნოლოგიებში, მუშაობა მუდმივად ზრდის სიმძლავრის სიმკვრივეს (ცალკეულ სერვერებს შეუძლიათ ათობით კილოვატის მოხმარება). კომუნიკაციებში, როგორც ციფრული, ასევე ანალოგური სქემები უფრო ძლიერი სიგნალებისა და უფრო სწრაფი მონაცემების მისაღებად უფრო მაღალ ტრანზისტორულ სიმძლავრეს მოითხოვს. სიმძლავრის ელექტრონიკაში უკეთესი ეფექტურობა სულ უფრო მეტად შეზღუდულია თერმული შეზღუდვებით.

განსხვავებული სტრატეგია: სითბოს გავრცელება ჩიპში

სითბოს კონცენტრირების ნაცვლად, პერსპექტიული იდეააგანზავებაის თავად ჩიპშია — თითქოს საცურაო აუზში ჭიქა მდუღარე წყლის ჩასხმა. თუ სითბო ზუსტად იქ გავრცელდება, სადაც ის წარმოიქმნება, ყველაზე ცხელი მოწყობილობები უფრო გრილი რჩება და ჩვეულებრივი გამაგრილებლები (გამაგრილებლები, ვენტილატორები, სითხის მარყუჟები) უფრო ეფექტურად მუშაობენ. ეს მოითხოვსმაღალი თბოგამტარობის, ელექტროიზოლაციის მასალააქტიური ტრანზისტორებიდან მხოლოდ ნანომეტრები ინტეგრირებულია მათი ნაზი თვისებების დარღვევის გარეშე. მოულოდნელი კანდიდატი შეესაბამება ამ კრიტერიუმს:ბრილიანტი.

რატომ ბრილიანტი?

ალმასი ცნობილ საუკეთესო თბოგამტარებს შორისაა — რამდენჯერმე მაღალია, ვიდრე სპილენძი — და ამავდროულად ელექტრო იზოლატორია. პრობლემა ინტეგრაციაშია: ტრადიციული ზრდის მეთოდები მოითხოვს დაახლოებით 900–1000 °C ან მეტ ტემპერატურას, რაც დააზიანებს თანამედროვე სქემებს. ბოლოდროინდელი მიღწევები აჩვენებს, რომ თხელი...პოლიკრისტალური ბრილიანტიფილმების (მხოლოდ რამდენიმე მიკრომეტრის სისქის) გაზრდა შესაძლებელიაგაცილებით დაბალი ტემპერატურაშესაფერისია დასრულებული მოწყობილობებისთვის.

დღევანდელი გამაგრილებლები და მათი შეზღუდვები

ძირითადი გაგრილება ფოკუსირებულია უკეთეს რადიატორებზე, ვენტილატორებსა და ინტერფეისის მასალებზე. მკვლევარები ასევე იკვლევენ მიკროფლუიდურ სითხით გაგრილებას, ფაზის შეცვლის მასალებს და სერვერების თბოგამტარ, ელექტროიზოლაციურ სითხეებში ჩაძირვასაც კი. ეს მნიშვნელოვანი ნაბიჯებია, მაგრამ ისინი შეიძლება იყოს მოცულობითი, ძვირი ან ცუდად შეესაბამებოდეს ახალ ტექნოლოგიებს.3D-დასტეკირებულიჩიპური არქიტექტურა, სადაც სილიკონის მრავალი ფენა „ცათამბჯენის“ მსგავსად იქცევა. ასეთ დასტებში ყველა ფენამ სითბო უნდა გამოყოს; წინააღმდეგ შემთხვევაში, ცხელი წერტილები შიგნით აღმოჩნდება ჩარჩენილი.

როგორ გავზარდოთ მოწყობილობასთან თავსებადი ბრილიანტი

ერთკრისტალურ ბრილიანტს აქვს არაჩვეულებრივი თბოგამტარობა (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, დაახლოებით ექვსჯერ მეტი ვიდრე სპილენძი). უფრო ადვილად დასამზადებელი პოლიკრისტალური ფირები შეიძლება მიუახლოვდეს ამ მაჩვენებლებს, როდესაც საკმარისად სქელია - და მაინც აღემატება სპილენძს, თუნდაც უფრო თხელი იყოს. ტრადიციული ქიმიური ორთქლის დეპონირება მაღალ ტემპერატურაზე რეაგირებს მეთანსა და წყალბადს შორის, რაც ქმნის ვერტიკალურ ალმასის ნანოსვეტებს, რომლებიც მოგვიანებით ერწყმის ფენას; ამ დროისთვის ფენა სქელი, დაძაბული და ბზარებისკენ მიდრეკილია.
დაბალ ტემპერატურაზე ზრდას განსხვავებული რეცეპტი სჭირდება. სითბოს უბრალოდ შემცირება გამტარი ჭვარტლის წარმოქმნას იწვევს იზოლირებული ბრილიანტის ნაცვლად.ჟანგბადიუწყვეტად ამუშავებს არა-ალმასის ნახშირბადს, რაც საშუალებას იძლევამსხვილმარცვლოვანი პოლიკრისტალური ბრილიანტი ~400°C-ზე, ტემპერატურა, რომელიც თავსებადია მოწინავე ინტეგრირებულ სქემებთან. ასევე მნიშვნელოვანია, რომ პროცესით შესაძლებელია არა მხოლოდ ჰორიზონტალური ზედაპირების, არამედგვერდითი კედლები, რაც მნიშვნელოვანია თანდაყოლილი 3D მოწყობილობებისთვის.

თერმული სასაზღვრო წინაღობა (TBR): ფონონის შემაფერხებელი არე

მყარ სხეულებში სითბო გადადისფონონები(კვანტიზებული ბადისებრი ვიბრაციები). მატერიალური ინტერფეისების დროს ფონონებს შეუძლიათ აირეკლონ და დაგროვდნენ, რაც ქმნისთერმული სასაზღვრო წინააღმდეგობა (TBR)რაც ხელს უშლის სითბოს დინებას. ინტერფეისის ინჟინერია ცდილობს შეამციროს TBR, მაგრამ არჩევანი შეზღუდულია ნახევარგამტარული თავსებადობით. გარკვეულ ინტერფეისებზე, შერევამ შეიძლება წარმოქმნას თხელისილიციუმის კარბიდი (SiC)ფენა, რომელიც უკეთ ემთხვევა ფონონის სპექტრებს ორივე მხრიდან, მოქმედებს როგორც „ხიდი“ და ამცირებს TBR-ს - რითაც აუმჯობესებს სითბოს გადაცემას მოწყობილობებიდან ბრილიანტში.

სატესტო პლატფორმა: GaN HEMT-ები (რადიოსიხშირული ტრანზისტორები)

მაღალი ელექტრონული მობილობის ტრანზისტორები (HEMT), რომლებიც დაფუძნებულია გალიუმის ნიტრიდის მართვის დენზე 2D ელექტრონულ აირში და ფასობენ მაღალი სიხშირის, მაღალი სიმძლავრის მუშაობისთვის (მათ შორის X-დიაპაზონი ≈8–12 GHz და W-დიაპაზონი ≈75–110 GHz). რადგან სითბო წარმოიქმნება ზედაპირთან ძალიან ახლოს, ისინი წარმოადგენენ ნებისმიერი ადგილზე სითბოს გამავრცელებელი ფენის შესანიშნავ ზონდს. როდესაც თხელი ბრილიანტი ფარავს მოწყობილობას - გვერდითი კედლების ჩათვლით - არხის ტემპერატურა ეცემა.~70 °C, მაღალი სიმძლავრის დროს თერმული სივრცის მნიშვნელოვანი გაუმჯობესებით.

ბრილიანტი CMOS და 3D დასტებში

მოწინავე კომპიუტერულ ტექნოლოგიებში,3D დაწყობაზრდის ინტეგრაციის სიმკვრივეს და მუშაობას, მაგრამ ქმნის შიდა თერმულ შეფერხებებს იქ, სადაც ტრადიციული, გარე გამაგრილებლები ყველაზე ნაკლებად ეფექტურია. ალმასის სილიკონთან ინტეგრაციამ კვლავ შეიძლება გამოიწვიოს სასარგებლო შედეგი.SiC შუალედური ფენარაც მაღალი ხარისხის თერმული ინტერფეისის წარმოქმნას უზრუნველყოფს.
ერთ-ერთი შემოთავაზებული არქიტექტურა არისთერმული ხარაჩონანომეტრის თხელ ბრილიანტის ფურცლები, რომლებიც ჩაშენებულია ტრანზისტორების ზემოთ დიელექტრიკში და დაკავშირებულიავერტიკალური თერმული გამტარი არხები („სითბოს სვეტები“)დამზადებულია სპილენძისგან ან დამატებითი ბრილიანტისგან. ეს სვეტები სითბოს ფენიდან ფენაზე გადასცემენ მანამ, სანამ ის გარე გამაგრილებელს არ მიაღწევს. რეალისტური დატვირთვით სიმულაციები აჩვენებს, რომ ასეთ სტრუქტურებს შეუძლიათ პიკური ტემპერატურის შემცირებამასშტაბის რიგის მიხედვითკონცეფციის დამადასტურებელ დასტებში.

რა რჩება რთული

ძირითადი გამოწვევები მოიცავს ალმასის ზედა ზედაპირის დამზადებასატომურად ბრტყელიზედაპირულ ურთიერთდაკავშირებულ ნაწილებთან და დიელექტრიკებთან შეუფერხებელი ინტეგრაციისთვის და დახვეწის პროცესებისთვის, რათა თხელმა ფენებმა შეინარჩუნონ შესანიშნავი თბოგამტარობა ქვედა წრედზე დატვირთვის გარეშე.

პერსპექტივა

თუ ეს მიდგომები კვლავაც განვითარდება,ჩიპში ჩაშენებული ალმასის სითბოს განაწილებაშეიძლება მნიშვნელოვნად შეამსუბუქოს CMOS-ის, RF-ის და დენის ელექტრონიკის თერმული ლიმიტები, რაც საშუალებას იძლევა უფრო მაღალი წარმადობის, უფრო მეტი საიმედოობის და უფრო მკვრივი 3D ინტეგრაციის ჩვეულებრივი თერმული ჯარიმების გარეშე.