Zakaj se sodobni čipi pregrevajo

Ko nanoskopski tranzistorji preklapljajo s hitrostjo gigahercev, elektroni hitijo skozi vezja in izgubljajo energijo kot toploto – isto toploto, ki jo občutite, ko se prenosnik ali telefon neprijetno segreje. Več tranzistorjev na čipu pusti manj prostora za odvajanje te toplote. Namesto da bi se toplota enakomerno porazdelila po siliciju, se kopiči v vročih točkah, ki so lahko za več deset stopinj bolj vroče kot okoliška območja. Da bi se izognili poškodbam in izgubi zmogljivosti, sistemi dušijo procesorje in grafične procesorje, ko temperature poskočijo.

Obseg toplotnega izziva

Kar se je začelo kot tekma za miniaturizacijo, se je spremenilo v boj s toploto v vsej elektroniki. V računalništvu zmogljivost nenehno povečuje gostoto moči (posamezni strežniki lahko porabijo več deset kilovatov). V komunikacijah tako digitalna kot analogna vezja zahtevajo večjo moč tranzistorjev za močnejše signale in hitrejši prenos podatkov. V močnostni elektroniki je boljša učinkovitost vse bolj omejena s toplotnimi omejitvami.

Drugačna strategija: porazdelitev toplote znotraj čipa

Namesto da bi pustili, da se toplota koncentrira, je obetavna ideja, darazredčitiznotraj samega čipa – kot če bi v bazen vlili skodelico vrele vode. Če se toplota porazdeli točno tam, kjer nastane, najbolj vroče naprave ostanejo hladnejše, običajni hladilniki (hladilniki, ventilatorji, tekočinske zanke) pa delujejo učinkoviteje. To zahtevavisoko toplotno prevoden, električno izolacijski materialintegrirali le nanometre aktivnih tranzistorjev, ne da bi pri tem motili njihove občutljive lastnosti. Nepričakovan kandidat ustreza temu opisu:diamant.

Zakaj diamant?

Diamant je med najboljšimi znanimi toplotnimi prevodniki – nekajkrat boljši od bakra – hkrati pa je tudi električni izolator. Težava je v integraciji: konvencionalne metode rasti zahtevajo temperature okoli 900–1000 °C ali več, kar bi lahko poškodovalo napredna vezja. Nedavni napredki kažejo, da tankipolikristalni diamantfilmi (debeline le nekaj mikrometrov) se lahko gojijo priprecej nižje temperatureprimerno za končne naprave.

Današnji hladilniki in njihove omejitve

Glavno hlajenje se osredotoča na boljše hladilne odvode, ventilatorje in vmesniške materiale. Raziskovalci raziskujejo tudi mikrofluidno tekočinsko hlajenje, materiale za fazno spreminjanje in celo potopitev strežnikov v toplotno prevodne, električno izolacijske tekočine. To so pomembni koraki, vendar so lahko obsežni, dragi ali slabo usklajeni z nastajajočimi tehnologijami.3D-zloženoarhitekture čipov, kjer se več silicijevih plasti obnaša kot »nebotičnik«. V takšnih skladih mora vsaka plast oddajati toploto, sicer so vroče točke ujete v notranjosti.

Kako gojiti diamant, prijazen do naprave

Monokristalni diamant ima izjemno toplotno prevodnost (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, kar je približno šestkrat več kot pri bakru). Polikristalni filmi, ki jih je lažje izdelati, se lahko tem vrednostim približajo, če so dovolj debeli – in so še vedno boljši od bakra, tudi če so tanjši. Tradicionalno kemično nanašanje s paro reagira z metanom in vodikom pri visoki temperaturi, pri čemer nastanejo navpični diamantni nanostolupci, ki se kasneje združijo v film; do takrat je plast debela, obremenjena in nagnjena k razpokam.
Rast pri nižjih temperaturah zahteva drugačen recept. Preprosto zmanjšanje toplote namesto izolacijskega diamanta povzroči prevodno sajo. Predstavljamokisikneprekinjeno jedka nediamantni ogljik, kar omogočadebelozrnati polikristalni diamant pri ~400 °C, temperatura, ki je združljiva z naprednimi integriranimi vezji. Prav tako pomembno je, da lahko postopek prekrije ne le vodoravne površine, temveč tudistranske stene, kar je pomembno za naprave, ki so že same po sebi 3D-prikazovale sliko.

Toplotna mejna upornost (TBR): fononsko ozko grlo

Toploto v trdnih snoveh prenašafononi(kvantizirane vibracije mreže). Na materialnih vmesnikih se lahko fononi odbijajo in kopičijo, kar ustvarjatoplotna mejna upornost (TBR)ki ovira pretok toplote. Inženiring vmesnikov si prizadeva znižati TBR, vendar so možnosti omejene zaradi združljivosti polprevodnikov. Na določenih vmesnikih lahko mešanje tvori tanko plastsilicijev karbid (SiC)plast, ki se bolje ujema s fononskimi spektri na obeh straneh, deluje kot "most" in zmanjšuje TBR – s čimer se izboljša prenos toplote iz naprav v diamant.

Testna plošča: GaN HEMT-ji (radiofrekvenčni tranzistorji)

Tranzistorji z visoko mobilnostjo elektronov (HEMT), ki temeljijo na galijevem nitridu, krmilijo tok v 2D elektronskem plinu in so cenjeni zaradi visokofrekvenčnega delovanja z veliko močjo (vključno z X-pasom ≈8–12 GHz in W-pasom ≈75–110 GHz). Ker se toplota ustvarja zelo blizu površine, so odlična sonda za katero koli in situ plast, ki širi toploto. Ko tanek diamant obdaja napravo – vključno s stranskimi stenami – so opazili padec temperature kanalov za~70 °C, z znatnimi izboljšavami toplotnega prostora pri visoki moči.

Diamant v CMOS in 3D skladih

V naprednem računalništvu,3D zlaganjepoveča gostoto integracije in zmogljivost, vendar ustvarja notranja toplotna ozka grla tam, kjer so tradicionalni zunanji hladilniki najmanj učinkoviti. Integracija diamanta s silicijem lahko spet ustvari koristnoVmesni sloj SiC, kar zagotavlja visokokakovosten toplotni vmesnik.
Ena od predlaganih arhitektur jetermični oder: nanometrske diamantne plošče, vgrajene nad tranzistorje znotraj dielektrika, povezane znavpične toplotne odprtine ("toplotni stebri")iz bakra ali dodatnega diamanta. Ti stebri prenašajo toploto iz plasti v plast, dokler ne doseže zunanjega hladilnika. Simulacije z realnimi delovnimi obremenitvami kažejo, da lahko takšne strukture zmanjšajo najvišje temperature zado reda velikostiv skladih za dokazovanje koncepta.

Kar ostaja težko

Ključni izzivi vključujejo izdelavo zgornje površine diamantaatomsko ploščatza brezhibno integracijo s prekrivajočimi medsebojnimi povezavami in dielektriki ter postopke izpopolnjevanja, tako da tanke plasti ohranijo odlično toplotno prevodnost, ne da bi obremenile osnovno vezje.

Obeti

Če se bodo ti pristopi še naprej razvijali,širjenje toplote v diamantubi lahko znatno sprostilo toplotne omejitve v CMOS, RF in močnostni elektroniki – kar bi omogočilo večjo zmogljivost, večjo zanesljivost in gostejšo 3D integracijo brez običajnih toplotnih stroškov.