Mengapa cip moden menjadi panas

Apabila transistor skala nano bertukar pada kadar gigahertz, elektron bergegas melalui litar dan kehilangan tenaga sebagai haba—haba yang sama yang anda rasakan apabila komputer riba atau telefon menjadi panas yang tidak selesa. Memasukkan lebih banyak transistor ke dalam cip meninggalkan kurang ruang untuk menyingkirkan haba tersebut. Daripada merebak secara sekata melalui silikon, haba terkumpul menjadi titik panas yang boleh berpuluh-puluh darjah lebih panas daripada kawasan sekitarnya. Untuk mengelakkan kerosakan dan kehilangan prestasi, sistem akan menyekat CPU dan GPU apabila suhu meningkat mendadak.

Skop cabaran terma

Apa yang bermula sebagai perlumbaan untuk mengecilkan saiz telah menjadi pertempuran dengan haba merentasi semua elektronik. Dalam pengkomputeran, prestasi terus mendorong ketumpatan kuasa yang lebih tinggi (pelayan individu boleh menggunakan puluhan kilowatt). Dalam komunikasi, kedua-dua litar digital dan analog memerlukan kuasa transistor yang lebih tinggi untuk isyarat yang lebih kuat dan data yang lebih pantas. Dalam elektronik kuasa, kecekapan yang lebih baik semakin terhad oleh kekangan terma.

Strategi yang berbeza: menyebarkan haba di dalam cip

Daripada membiarkan haba tertumpu, idea yang menjanjikan adalah untukcairkania di dalam cip itu sendiri—seperti menuang secawan air mendidih ke dalam kolam renang. Jika haba tersebar betul-betul di tempat ia dijana, peranti paling panas kekal sejuk dan penyejuk konvensional (penyejuk haba, kipas, gelung cecair) berfungsi dengan lebih berkesan. Ini memerlukanbahan penebat elektrik dengan kekonduksian haba yang tinggihanya nanometer bersepadu daripada transistor aktif tanpa mengganggu sifat halusnya. Calon yang tidak dijangka sesuai dengan rang undang-undang ini:berlian.

Kenapa berlian?

Berlian adalah antara konduktor haba terbaik yang diketahui—beberapa kali ganda lebih tinggi daripada kuprum—dan juga merupakan penebat elektrik. Masalahnya ialah integrasi: kaedah pertumbuhan konvensional memerlukan suhu sekitar atau melebihi 900–1000 °C, yang akan merosakkan litar canggih. Kemajuan terkini menunjukkan bahawa nipisberlian polikristalinfilem (hanya beberapa mikrometer tebal) boleh ditumbuhkan padasuhu yang jauh lebih rendahsesuai untuk peranti siap.

Penyejuk hari ini dan hadnya

Penyejukan arus perdana memberi tumpuan kepada sink haba, kipas dan bahan antara muka yang lebih baik. Penyelidik juga meneroka penyejukan cecair mikrofluidik, bahan perubahan fasa dan juga merendam pelayan dalam cecair penebat elektrik yang konduktif haba. Ini adalah langkah penting, tetapi ia boleh menjadi besar, mahal atau tidak sepadan dengan yang baru muncul.Bertindan 3Dseni bina cip, di mana berbilang lapisan silikon bertindak seperti "pencakar langit." Dalam susunan sedemikian, setiap lapisan mesti mengeluarkan haba; jika tidak, titik panas terperangkap di dalamnya.

Cara menanam berlian mesra peranti

Berlian kristal tunggal mempunyai kekonduksian terma yang luar biasa (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, kira-kira enam kali ganda daripada kuprum). Filem polikristalin yang lebih mudah dibuat boleh menghampiri nilai ini apabila cukup tebal—dan masih lebih baik daripada kuprum walaupun lebih nipis. Pemendapan wap kimia tradisional bertindak balas terhadap metana dan hidrogen pada suhu tinggi, membentuk nanokolum berlian menegak yang kemudiannya bergabung menjadi filem; pada masa itu lapisan tersebut tebal, tertekan dan mudah retak.
Pertumbuhan pada suhu yang lebih rendah memerlukan resipi yang berbeza. Hanya dengan menurunkan haba menghasilkan jelaga konduktif dan bukannya penebat berlian. Memperkenalkanoksigenmengukir karbon bukan berlian secara berterusan, membolehkanberlian polikristalin berbutir besar pada ~400 °C, suhu yang serasi dengan litar bersepadu canggih. Sama pentingnya, proses ini bukan sahaja boleh menyalut permukaan mendatar tetapi jugadinding sisi, yang penting untuk peranti 3D secara semula jadi.

Rintangan sempadan terma (TBR): kesesakan fonon

Haba dalam pepejal dibawa olehfonon(getaran kekisi terkuantum). Pada antara muka bahan, fonon boleh memantul dan bertimbun, mewujudkanrintangan sempadan terma (TBR)yang menghalang aliran haba. Kejuruteraan antara muka bertujuan untuk menurunkan TBR, tetapi pilihan adalah terhad oleh keserasian semikonduktor. Pada antara muka tertentu, pencampuran boleh membentuk lapisan nipissilikon karbida (SiC)lapisan yang lebih sepadan dengan spektrum fonon pada kedua-dua belah pihak, bertindak sebagai "jambatan" dan mengurangkan TBR—sekali gus meningkatkan pemindahan haba daripada peranti ke dalam berlian.

Tempat ujian: GaN HEMT (transistor frekuensi radio)

Transistor mobiliti elektron tinggi (HEMT) berdasarkan arus kawalan galium nitrida dalam gas elektron 2D dan dihargai untuk operasi frekuensi tinggi dan berkuasa tinggi (termasuk jalur-X ≈8–12 GHz dan jalur-W ≈75–110 GHz). Oleh kerana haba dijana sangat dekat dengan permukaan, ia merupakan probe yang sangat baik untuk sebarang lapisan penyebaran haba in-situ. Apabila berlian nipis merangkumi peranti—termasuk dinding sisi—suhu saluran telah diperhatikan menurun sebanyak~70 °C, dengan penambahbaikan ketara dalam ruang kepala terma pada kuasa tinggi.

Berlian dalam susunan CMOS dan 3D

Dalam pengkomputeran lanjutan,Susunan 3Dmeningkatkan ketumpatan dan prestasi integrasi tetapi mewujudkan kesesakan terma dalaman di mana penyejuk luaran tradisional paling kurang berkesan. Mengintegrasikan berlian dengan silikon sekali lagi boleh menghasilkan yang bermanfaatLapisan antara SiC, menghasilkan antara muka terma berkualiti tinggi.
Satu seni bina yang dicadangkan ialahperancah terma: kepingan berlian nipis nanometer yang terbenam di atas transistor dalam dielektrik, disambungkan olehvias terma menegak (“tiang haba”)diperbuat daripada tembaga atau berlian tambahan. Tiang-tiang ini mengalirkan haba dari lapisan ke lapisan sehingga ia sampai ke penyejuk luaran. Simulasi dengan beban kerja yang realistik menunjukkan bahawa struktur sedemikian boleh mengurangkan suhu puncak sebanyaksehingga suatu peringkat magnituddalam tindanan bukti konsep.

Apa yang masih sukar

Cabaran utama termasuk membuat permukaan atas berlianrata secara atomuntuk penyepaduan yang lancar dengan sambungan dan dielektrik di atasnya, dan proses penapisan supaya filem nipis mengekalkan kekonduksian terma yang sangat baik tanpa menekankan litar asas.

Tinjauan

Jika pendekatan ini terus matang,penyebaran haba berlian dalam cipboleh melonggarkan had terma dalam CMOS, RF dan elektronik kuasa dengan ketara—membolehkan prestasi yang lebih tinggi, kebolehpercayaan yang lebih baik dan penyepaduan 3D yang lebih padat tanpa penalti terma biasa.