Чаму сучасныя чыпы награваюцца

Паколькі нанамаштабныя транзістары пераключаюцца з частатой у гігагерцах, электроны імчацца па схемах і губляюць энергію ў выглядзе цяпла — таго ж цяпла, якое вы адчуваеце, калі ноўтбук або тэлефон непрыемна награваецца. Большая колькасць транзістараў на чыпе пакідае менш месца для адводу гэтага цяпла. Замест таго, каб раўнамерна размеркавацца па крэмнію, цяпло назапашваецца ў гарачых кропках, якія могуць быць на дзясяткі градусаў гарачэйшымі за навакольныя вобласці. Каб пазбегнуць пашкоджанняў і страты прадукцыйнасці, сістэмы дроселяюць працэсары і відэакарты, калі тэмпература рэзка павышаецца.

Маштаб цеплавой праблемы

Тое, што пачалося як гонка за мініяцюрызацыяй, ператварылася ў барацьбу з нагрэвам ва ўсёй электроніцы. У вылічальнай тэхнікі прадукцыйнасць пастаянна павышае шчыльнасць магутнасці (асобныя серверы могуць спажываць каля дзясяткаў кілават). У сувязі як лічбавыя, так і аналагавыя схемы патрабуюць большай магутнасці транзістараў для атрымання больш моцных сігналаў і больш хуткай перадачы дадзеных. У сілавой электроніцы павышэнне эфектыўнасці ўсё больш абмяжоўваецца цеплавымі абмежаваннямі.

Іншая стратэгія: размеркаванне цяпла ўнутры чыпа

Замест таго, каб дазваляць цяплу канцэнтравацца, перспектыўная ідэя заключаецца ў тым,разводзіцьгэта ўнутры самога чыпа — як наліць кубак кіпеню ў басейн. Калі цяпло распаўсюджваецца менавіта там, дзе яно выпрацоўваецца, самыя гарачыя прылады застаюцца халоднымі, а звычайныя радыятары (радыятары, вентылятары, вадкасныя контуры) працуюць больш эфектыўна. Для гэтага патрабуеццавысокацеплаправодны, электраізаляцыйны матэрыялінтэгравалі ўсяго нанаметры з актыўных транзістараў, не парушаючы іх далікатных уласцівасцей. Нечаканы кандыдат адпавядае гэтаму патрабаванню:дыямент.

Чаму алмаз?

Алмаз з'яўляецца адным з найлепшых цеплаправоднікаў з вядомых — у некалькі разоў лепшым за медзь, — а таксама з'яўляецца электрычным ізалятарам. Загвоздка ў інтэграцыі: традыцыйныя метады вырошчвання патрабуюць тэмператур каля 900–1000 °C або вышэй, што можа пашкодзіць сучасныя схемы. Нядаўнія дасягненні паказваюць, што тонкіяполікрышталічны алмазплёнкі (таўшчынёй усяго некалькі мікраметраў) можна вырошчваць прызначна ніжэйшыя тэмпературыпадыходзіць для гатовых прылад.

Сучасныя кулеры і іх абмежаванні

Асноўнае астуджэнне сканцэнтравана на паляпшэнні радыятараў, вентылятараў і інтэрфейсных матэрыялаў. Даследчыкі таксама вывучаюць мікрафлюіднае вадкаснае астуджэнне, матэрыялы з фазавым пераходам і нават апусканне сервераў у цеплаправодныя, электраізаляцыйныя вадкасці. Гэта важныя крокі, але яны могуць быць грувасткімі, дарагімі або дрэнна адпавядаць новым тэхналогіям.3D-напластаваныархітэктуры чыпаў, дзе некалькі крэмніевых слаёў паводзяць сябе як «хмарачос». У такіх стэках кожны пласт павінен аддаваць цяпло, інакш гарачыя кропкі застаюцца ўнутры.

Як вырасціць алмаз, зручны для выкарыстання на прыладзе

Монакрышталічны алмаз мае незвычайную цеплаправоднасць (≈2200–2400 Вт м⁻¹ K⁻¹, што прыкладна ў шэсць разоў больш, чым у медзі). Прасцейшыя ў вырабе полікрышталічныя плёнкі могуць дасягнуць гэтых значэнняў пры дастатковай таўшчыні і ўсё яшчэ пераўзыходзяць медзь, нават калі яны танчэйшыя. Традыцыйнае хімічнае асаджэнне з паравой фазы рэагуе з метанам і вадародам пры высокай тэмпературы, утвараючы вертыкальныя алмазныя нанакалоны, якія пазней зліваюцца ў плёнку; да таго часу пласт тоўсты, напружаны і схільны да расколін.
Рост пры больш нізкіх тэмпературах патрабуе іншага рэцэпту. Простае памяншэнне тэмпературы прывядзе да атрымання праводнай сажы, а не ізаляцыйнага алмаза. Уводзіныкіслародбесперапынна траўіць неалмазны вуглярод, што дазваляебуйназярністы полікрышталічны алмаз пры тэмпературы ~400 °C, тэмпература, сумяшчальная з перадавымі інтэгральнымі схемамі. Не менш важна, што працэс можа пакрываць не толькі гарызантальныя паверхні, але ібакавыя сценкі, што мае значэнне для прылад з 3D-тэхналогіяй.

Цеплавы супраціў мяжы (TBR): фаноннае вузкае месца

Цяпло ў цвёрдых целах перадаеццафаноны(квантаваныя ваганні рашоткі). На паверхнях матэрыялаў фаноны могуць адлюстроўвацца і назапашвацца, ствараючыцеплавое супраціўленне мяжы (TBR)што перашкаджае цеплавому патоку. Інжынерыя інтэрфейсаў імкнецца знізіць TBR, але выбар абмежаваны сумяшчальнасцю паўправаднікоў. На пэўных інтэрфейсах змешванне можа ўтвараць тонкі пласткарбід крэмнію (SiC)пласт, які лепш адпавядае фанонным спектрам з абодвух бакоў, дзейнічаючы як «мост» і памяншаючы TBR, тым самым паляпшаючы перадачу цяпла ад прылад да алмаза.

Выпрабавальны стэнд: GaN HEMT (радыёчастотныя транзістары)

Высокаэлектронныя транзістары (HEMT) на аснове нітрыду галію кіруюць токам у двухмерным электронным газе і цэняцца за высокую частату і высокую магутнасць працы (у тым ліку ў дыяпазоне X ≈8–12 ГГц і ў дыяпазоне W ≈75–110 ГГц). Паколькі цяпло выпрацоўваецца вельмі блізка да паверхні, яны з'яўляюцца выдатным даследнікам любога цеплараспаўсюджвальнага пласта in situ. Калі тонкі алмаз пакрывае прыладу, у тым ліку бакавыя сценкі, назіраецца зніжэнне тэмпературы канала на...~70 °C, са значнымі паляпшэннямі цеплавога запасу пры высокай магутнасці.

Алмаз у CMOS і 3D-стэках

У перадавых вылічэннях,3D-стэкінгпавялічвае шчыльнасць інтэграцыі і прадукцыйнасць, але стварае ўнутраныя цеплавыя вузкія месцы там, дзе традыцыйныя знешнія радыятары найменш эфектыўныя. Інтэграцыя алмаза з крэмніем зноў можа прывесці да карыснага выніку.Прамежкавы пласт SiC, што дае высакаякасны цеплавы інтэрфейс.
Адна з прапанаваных архітэктурных мадэляў — гэтацеплавыя рыштаваннінанаметровыя алмазныя лісты, убудаваныя над транзістарамі ўнутры дыэлектрыка, злучаныявертыкальныя цеплавыя адтуліны («цеплавыя слупы»)выраблены з медзі або дадатковага алмаза. Гэтыя слупы перадаюць цяпло ад пласта да пласта, пакуль яно не дасягне знешняга ахаладжальніка. Мадэляванне з рэальнымі нагрузкамі паказвае, што такія структуры могуць знізіць пікавыя тэмпературы нада парадку велічыніу стэках для праверкі канцэпцыі.

Што застаецца складаным

Асноўныя праблемы ўключаюць стварэнне верхняй паверхні алмазаатамна плоскідля бясшвоўнай інтэграцыі з вышэйзгаданымі міжзлучэннямі і дыэлектрыкамі, а таксама працэсаў удасканалення, каб тонкія плёнкі падтрымлівалі выдатную цеплаправоднасць без нагрузкі на асноўныя схемы.

Перспектывы

Калі гэтыя падыходы будуць працягваць развівацца,распаўсюджванне цяпла ўнутры алмазнага чыпаможа істотна паслабіць цеплавыя абмежаванні ў CMOS, радыёчастотнай і сілавой электроніцы, што дазваляе павысіць прадукцыйнасць, надзейнасць і шчыльнейшую трохмерную інтэграцыю без звычайных цеплавых страт.