Орчин үеийн чипсүүд яагаад халуун байдаг вэ?

Нано хэмжээний транзисторууд гигагерц хурдаар шилжих үед электронууд хэлхээгээр дамжин гүйж, дулаан шиг энерги алддаг - зөөврийн компьютер эсвэл утас эвгүй халахад мэдрэгддэг дулаантай адил. Чип дээр илүү олон транзистор суурилуулах нь тэр дулааныг зайлуулах зай багатай болгодог. Цахиураар жигд тархахын оронд дулаан нь эргэн тойрны бүсээс хэдэн арван градусаар халуун байж болох халуун цэгүүдэд хуримтлагддаг. Гэмтэл, гүйцэтгэл алдагдахаас зайлсхийхийн тулд системүүд температур огцом өсөхөд CPU болон GPU-г багасгадаг.

Дулааны сорилтын цар хүрээ

Анх жижигрүүлэх уралдаан болж эхэлсэн зүйл нь бүх электроникийн хувьд дулааны эсрэг тэмцэл болж хувирсан. Тооцооллын салбарт гүйцэтгэл нь эрчим хүчний нягтралыг улам бүр нэмэгдүүлсээр байна (тусдаа серверүүд хэдэн арван киловатт эрчим хүч ашиглаж болно). Харилцаа холбооны салбарт дижитал болон аналог хэлхээ хоёулаа илүү хүчтэй дохио, хурдан өгөгдөл авахын тулд илүү өндөр транзисторын хүч шаарддаг. Цахилгаан электроникийн хувьд илүү сайн үр ашиг нь дулааны хязгаарлалтаас болж улам бүр хязгаарлагдаж байна.

Өөр стратеги: чип дотор дулааныг тараах

Дулааныг төвлөрүүлэхийн оронд ирээдүйтэй санаа болшингэлэхэнэ нь чип дотор байдаг - усан санд нэг аяга буцалсан ус хийхтэй адил. Хэрэв дулаан үүссэн газраа тархвал хамгийн халуун төхөөрөмжүүд илүү сэрүүн хэвээр үлдэж, уламжлалт хөргөгч (дулаан шингээгч, сэнс, шингэн гогцоо) илүү үр дүнтэй ажилладаг. Энэ нь ... шаарддаг.өндөр дулаан дамжуулалттай, цахилгаан тусгаарлагч материалидэвхтэй транзисторуудаас зөвхөн нанометрүүдийг тэдгээрийн нарийн шинж чанарыг алдагдуулахгүйгээр нэгтгэсэн. Гэнэтийн нэр дэвшигч энэ тал дээр тохирно:алмаз.

Яагаад алмаз гэж?

Алмаз нь хамгийн сайн дулаан дамжуулагчийн нэг бөгөөд зэсээс хэд дахин өндөр бөгөөд цахилгаан тусгаарлагч юм. Гол асуудал нь нэгтгэх явдал юм: уламжлалт өсөлтийн аргууд нь 900-1000 °C орчим буюу түүнээс дээш температур шаарддаг бөгөөд энэ нь дэвшилтэт хэлхээнд гэмтэл учруулдаг. Сүүлийн үеийн дэвшил нь нимгэн болохыг харуулж байна.поликристал алмазхальс (хэдхэн микрометр зузаантай)-г ургуулж болнохамаагүй бага температурдууссан төхөөрөмжүүдэд тохиромжтой.

Өнөөдрийн хөргөгч болон тэдгээрийн хязгаарлалтууд

Үндсэн хөргөлт нь илүү сайн дулаан шингээгч, сэнс, интерфэйсийн материалд төвлөрдөг. Судлаачид мөн микрофлюидик шингэн хөргөлт, фазын өөрчлөлтийн материал, тэр ч байтугай серверүүдийг дулаан дамжуулагч, цахилгаан тусгаарлагч шингэнд дүрэх талаар судалдаг. Эдгээр нь чухал алхамууд боловч тэдгээр нь том хэмжээтэй, үнэтэй эсвэл шинээр гарч ирж буй технологитой таарахгүй байж болно.3D давхарласанчип архитектурууд, олон цахиурын давхаргууд нь "тэнгэр баганадсан барилга" шиг ажилладаг. Ийм стекүүдэд давхарга бүр дулааныг ялгаруулах ёстой; эс тэгвээс халуун цэгүүд дотор нь гацдаг.

Төхөөрөмжид ээлтэй алмаазыг хэрхэн ургуулах вэ

Дан талст алмаз нь ер бусын дулаан дамжуулалттай (≈2200–2400 Вт м⁻¹ К⁻¹, энэ нь зэснээс зургаа дахин их). Илүү хялбар поликристал хальс нь хангалттай зузаантай үед эдгээр утгуудад хүрч чаддаг бөгөөд нимгэн байсан ч зэсээс илүү давуу талтай байдаг. Уламжлалт химийн уурын тунадас нь метан ба устөрөгчийг өндөр температурт урвалд оруулж, босоо алмазан наноколум үүсгэдэг бөгөөд дараа нь хальс болж нийлдэг; тэр үед давхарга нь зузаан, стресстэй, хагаралд өртөмтгий байдаг.
Бага температурт ургах нь өөр жор шаарддаг. Дулааныг багасгах нь тусгаарлагч алмаазны оронд дамжуулагч тортог үүсгэдэг. Танилцуулгахүчилтөрөгчалмаз бус нүүрстөрөгчийг тасралтгүй сийлж, идэвхжүүлдэг~400 °C температурт том ширхэгтэй поликристал алмааз, дэвшилтэт интеграл хэлхээтэй нийцтэй температур. Үүнтэй адил чухал зүйл бол энэ процесс нь зөвхөн хэвтээ гадаргууг төдийгүй бас бүрхэж чадна.хажуугийн хана, энэ нь угаасаа 3D төхөөрөмжүүдийн хувьд чухал юм.

Дулааны хил хязгаарын эсэргүүцэл (TBR): фононы саад тотгор

Хатуу биет дэх дулааныг дамжуулдагфононууд(квантлагдсан торны чичиргээ). Материалын интерфэйс дээр фононууд ойж, овоолж, үүсгэж болнодулааны хил хязгаарын эсэргүүцэл (TBR)дулааны урсгалд саад учруулдаг. Интерфэйсийн инженерчлэл нь TBR-ийг бууруулахыг эрмэлздэг боловч сонголтууд нь хагас дамжуулагчийн нийцтэй байдлаас шалтгаалан хязгаарлагдмал байдаг. Зарим интерфэйсүүдэд холилдох нь нимгэн үүсгэж болноцахиурын карбид (SiC)хоёр талдаа фононы спектртэй илүү сайн тохирдог, "гүүр" болж, TBR-ийг бууруулдаг давхарга бөгөөд ингэснээр төхөөрөмжөөс алмаз руу дулаан дамжуулалтыг сайжруулдаг.

Туршилтын тавцан: GaN HEMTs (радио давтамжийн транзисторууд)

2 хэмжээст электрон хий дэх галлийн нитридийн хяналтын гүйдэл дээр суурилсан өндөр электрон хөдөлгөөнт транзисторууд (HEMTs) нь өндөр давтамжтай, өндөр чадлын ажиллагаатай (X-зурвас ≈8–12 GHz болон W-зурвас ≈75–110 GHz орно) гэдгээрээ үнэлэгддэг. Дулаан нь гадаргуу дээр маш ойрхон үүсдэг тул тэдгээр нь аливаа in situ дулаан тархдаг давхаргыг маш сайн илрүүлдэг. Нимгэн алмааз нь төхөөрөмжийг, түүний дотор хажуугийн ханыг бүрхэхэд сувгийн температур ...-аар буурч байгааг ажигласан.~70 °C, өндөр хүчин чадалтай үед дулааны зайг мэдэгдэхүйц сайжруулсан.

CMOS болон 3D стек дэх алмаз

Дэвшилтэт тооцооллын салбарт,3D давхарлалтинтеграцийн нягтрал болон гүйцэтгэлийг нэмэгдүүлдэг боловч уламжлалт, гадаад хөргөгч хамгийн бага үр дүнтэй байдаг дотоод дулааны саад тотгорыг бий болгодог. Алмазыг цахиуртай нэгтгэх нь дахин ашигтай байж чадна.SiC давхарга, өндөр чанартай дулааны интерфэйсийг бий болгодог.
Санал болгож буй нэг архитектур ньдулааны шатдиэлектрик доторх транзисторын дээр суулгагдсан нанометрийн нимгэн алмазан хуудаснууд, холбогдсонбосоо дулааны дамжуулалт ("дулааны багана")зэс эсвэл нэмэлт алмаазаар хийгдсэн. Эдгээр багана нь дулааныг давхаргаас давхарга руу дамжуулж, гадаад хөргөгчинд хүрнэ. Бодит ажлын ачаалалтай симуляци нь ийм бүтэц нь оргил температурыг ...-аар бууруулж чадна гэдгийг харуулж байна.хэмжээний дарааллаарконцепцийн нотолгооны стекүүдэд.

Юу нь хэцүү хэвээр байна

Гол бэрхшээлүүдэд алмазын дээд гадаргууг хийх зэрэг орноатомын хувьд хавтгайдээд талын холболт болон диэлектриктэй жигд нэгтгэх, мөн нимгэн хальснууд нь суурь хэлхээнд ачаалал өгөхгүйгээр маш сайн дулаан дамжуулалтыг хадгалахын тулд цэвэршүүлэх процессуудад зориулагдсан.

Хэтийн төлөв

Хэрэв эдгээр аргууд цаашид хөгжсөөр байвал,чип доторх алмазан дулаан тархалтCMOS, RF болон цахилгаан электроникийн дулааны хязгаарлалтыг мэдэгдэхүйц сулруулж, ердийн дулааны алдагдалгүйгээр илүү өндөр гүйцэтгэл, илүү найдвартай байдал, илүү нягтралтай 3D интеграцийг бий болгох боломжтой.