Għaliex iċ-ċipep moderni jisħnu

Hekk kif it-transistors fuq skala nanometrika jaqilbu b'rati ta' gigahertz, l-elettroni jiġru fiċ-ċirkwiti u jitilfu l-enerġija bħala sħana—l-istess sħana li tħoss meta laptop jew telefon jisħon iżżejjed. Jekk iżżid aktar transistors fuq ċippa, dan iħalli inqas spazju biex titneħħa dik is-sħana. Minflok ma tinfirex b'mod uniformi fis-silikon, is-sħana takkumula f'hotspots li jistgħu jkunu għexieren ta' gradi aktar sħan mir-reġjuni tal-madwar. Biex jiġu evitati l-ħsara u t-telf fil-prestazzjoni, is-sistemi jrażżnu s-CPUs u l-GPUs meta t-temperaturi jogħlew.

L-ambitu tal-isfida termali

Dak li beda bħala tellieqa għall-minjaturizzazzjoni sar battalja mas-sħana fl-elettronika kollha. Fil-kompjuters, il-prestazzjoni tkompli timbotta d-densità tal-enerġija ogħla (servers individwali jistgħu jużaw għexieren ta' kilowatts). Fil-komunikazzjonijiet, kemm iċ-ċirkwiti diġitali kif ukoll dawk analogi jeħtieġu qawwa tat-transistor ogħla għal sinjali aktar b'saħħithom u dejta aktar mgħaġġla. Fl-elettronika tal-enerġija, effiċjenza aħjar hija dejjem aktar limitata minn restrizzjonijiet termali.

Strateġija differenti: ixerred is-sħana ġewwa ċ-ċippa

Minflok ma tħalli s-sħana tikkonċentra, idea promettenti hija liiddilwixxifiċ-ċippa nnifisha—bħallikieku qed tferra’ tazza ilma jagħli f’pixxina. Jekk is-sħana tinfirex eżatt fejn tiġi ġġenerata, l-aktar apparati sħan jibqgħu aktar kesħin u l-apparati li jkessħu konvenzjonali (sinkijiet tas-sħana, fannijiet, linji tal-likwidu) jaħdmu b’mod aktar effettiv. Dan jeħtieġmaterjal b'konduttività termali għolja, iżolanti elettrikamentintegrat biss nanometri minn transistors attivi mingħajr ma jfixkel il-proprjetajiet delikati tagħhom. Kandidat mhux mistenni jaqbel ma' dan:djamant.

Għaliex djamant?

Id-djamant huwa fost l-aqwa kondutturi termali magħrufa—bosta drabi ogħla mir-ram—filwaqt li huwa wkoll iżolatur elettriku. Il-qabda hija l-integrazzjoni: metodi konvenzjonali ta’ tkabbir jeħtieġu temperaturi ta’ madwar jew aktar minn 900–1000 °C, li jagħmlu ħsara liċ-ċirkwiti avvanzati. Avvanzi riċenti juru li rqiqdjamant polikristallinfilms (ftit mikrometri biss ħoxnin) jistgħu jitkabbru f'temperaturi ħafna aktar baxxiadattat għal apparati lesti.

Il-coolers tal-lum u l-limiti tagħhom

It-tkessiħ mainstream jiffoka fuq sinkijiet tas-sħana, fannijiet, u materjali tal-interfaċċja aħjar. Ir-riċerkaturi jesploraw ukoll it-tkessiħ likwidu mikrofluwidiku, materjali li jibdlu l-fażi, u anke l-immersjoni tas-servers f'likwidi konduttivi termalment u iżolanti elettrikament. Dawn huma passi importanti, iżda jistgħu jkunu goffi, għaljin, jew imqabbla ħażin mat-teknoloġiji emerġenti.3D-stackedarkitetturi taċ-ċippa, fejn saffi multipli tas-silikon jaġixxu bħal "skyscraper". F'dawn il-munzelli, kull saff irid jitfa' s-sħana; inkella l-hotspots jinqabdu ġewwa.

Kif tkabbar djamant li jiflaħ għall-apparati

Djamant monokristallin għandu konduttività termali straordinarja (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, madwar sitt darbiet dik tar-ram). Films polikristallini aktar faċli biex isiru jistgħu joqorbu lejn dawn il-valuri meta jkunu ħoxnin biżżejjed—u xorta jkunu superjuri għar-ram anke meta jkunu irqaq. Id-depożizzjoni tradizzjonali tal-fwar kimiku tirreaġixxi l-metanu u l-idroġenu f'temperatura għolja, u tifforma nanokolonni vertikali tad-djamanti li aktar tard jingħaqdu f'film; sa dakinhar is-saff ikun oħxon, stressat, u suxxettibbli għall-qsim.
It-tkabbir f'temperatura aktar baxxa jeħtieġ riċetta differenti. Sempliċement billi tnaqqas is-sħana tipproduċi nugrufun konduttiv minflok djamant iżolanti. Introduzzjoniossiġnukontinwament inċiżjoni tal-karbonju mhux tad-djamanti, li tippermettidjamant polikristallin ta' qamħ kbir f'madwar 400 °C, temperatura kompatibbli ma' ċirkwiti integrati avvanzati. Bl-istess mod importanti, il-proċess jista' jiksi mhux biss uċuħ orizzontali iżda wkollħitan tal-ġenb, li huwa importanti għal apparati intrinsikament 3D.

Reżistenza termali tal-konfini (TBR): l-għonq tal-konġestjoni tal-fononi

Is-sħana fis-solidi tinġarr minnfononi(vibrazzjonijiet tal-kannizzata kwantizzati). Fl-interfaċċji tal-materjal, il-fononi jistgħu jirriflettu u jinġabru flimkien, u joħolqureżistenza tal-konfini termali (TBR)li jfixkel il-fluss tas-sħana. L-inġinerija tal-interfaċċja tfittex li tnaqqas it-TBR, iżda l-għażliet huma limitati mill-kompatibilità tas-semikondutturi. F'ċerti interfaċċji, it-taħlit jista' jifforma rqiqakarbur tas-silikon (SiC)saff li jaqbel aħjar mal-ispettri tal-fononi fuq iż-żewġ naħat, jaġixxi bħala "pont" u jnaqqas it-TBR—u b'hekk itejjeb it-trasferiment tas-sħana mill-apparati għad-djamant.

Pjan ta' prova: GaN HEMTs (transistors ta' frekwenza tar-radju)

Tranżistors b'mobilità għolja tal-elettroni (HEMTs) ibbażati fuq kurrent ta' kontroll tan-nitrid tal-gallju f'gass tal-elettroni 2D u huma apprezzati għall-operazzjoni ta' frekwenza għolja u qawwa għolja (inkluż il-banda X ≈8–12 GHz u l-banda W ≈75–110 GHz). Minħabba li s-sħana tiġi ġġenerata qrib ħafna tal-wiċċ, huma sonda eċċellenti ta' kwalunkwe saff li jxerred is-sħana in situ. Meta djamant irqiq jinkapsula l-apparat—inklużi l-ħitan tal-ġenb—ġie osservat li t-temperaturi tal-kanali jonqsu b'~70 °Ċ, b'titjib sostanzjali fil-headroom termali f'qawwa għolja.

Djamant f'munzelli CMOS u 3D

Fil-kompjuters avvanzati,Stivar 3Diżid id-densità u l-prestazzjoni tal-integrazzjoni iżda joħloq konġestjonijiet termali interni fejn apparati li jkessħu tradizzjonali u esterni huma l-inqas effettivi. L-integrazzjoni tad-djamant mas-silikon tista' terġa' tipproduċi effett benefiċjaliSaff intermedju tas-SiC, li jagħti interfaċċja termali ta' kwalità għolja.
Arkitettura waħda proposta hijascaffold termalifolji tad-djamanti rqaq daqs nanometru inkorporati fuq it-transistors fid-dielettriku, konnessi permezz ta'vias termali vertikali (“pilastri tas-sħana”)magħmulin mir-ram jew minn djamant addizzjonali. Dawn il-pilastri jgħaddu s-sħana minn saff għal saff sakemm tasal għal apparat li jkessaħ estern. Simulazzjonijiet b'tagħbijiet tax-xogħol realistiċi juru li strutturi bħal dawn jistgħu jnaqqsu t-temperaturi massimi billisa ordni ta' koborfi stacks ta' prova tal-kunċett.

Dak li jibqa' diffiċli

L-isfidi ewlenin jinkludu li tagħmel il-wiċċ ta’ fuq tad-djamantatomikament ċattgħal integrazzjoni bla xkiel ma' interkonnessjonijiet u dielettriċi sovrastanti, u proċessi ta' raffinar sabiex films irqaq iżommu konduttività termali eċċellenti mingħajr ma jisħqu fuq iċ-ċirkwiti sottostanti.

Prospettiva

Jekk dawn l-approċċi jkomplu jimmaturaw,tixrid tas-sħana tad-djamanti fiċ-ċippajista' jirrilassa sostanzjalment il-limiti termali fis-CMOS, l-RF, u l-elettronika tal-enerġija—li jippermetti prestazzjoni ogħla, affidabbiltà akbar, u integrazzjoni 3D aktar densa mingħajr il-penalitajiet termali tas-soltu.