Müasir çiplər niyə qızır

Nanomiqyaslı tranzistorlar giqahers tezliklərində dəyişdikcə, elektronlar dövrələrdən keçir və istilik kimi enerji itirir - noutbuk və ya telefon narahat şəkildə isindikdə hiss etdiyiniz istiliklə eynidir. Çipə daha çox tranzistor yerləşdirmək, bu istiliyi aradan qaldırmaq üçün daha az yer qoyur. İstilik silikondan bərabər şəkildə yayılmaq əvəzinə, ətrafdakı bölgələrdən on dərəcə daha isti ola bilən qaynar nöqtələrə toplanır. Zədələnmənin və performans itkisinin qarşısını almaq üçün sistemlər temperatur yüksəldikdə CPU və GPU-ları sıxışdırır.

Termal çətinliyin əhatə dairəsi

Miniatürləşmə yarışı kimi başlayan proses bütün elektronikada istiliklə mübarizəyə çevrilib. Hesablama texnologiyalarında performans güc sıxlığını artırmağa davam edir (fərdi serverlər onlarla kilovatt istifadə edə bilər). Rabitədə həm rəqəmsal, həm də analoq dövrələr daha güclü siqnallar və daha sürətli məlumatlar üçün daha yüksək tranzistor gücü tələb edir. Güc elektronikasında daha yaxşı səmərəlilik istilik məhdudiyyətləri ilə getdikcə daha çox məhdudlaşır.

Fərqli bir strategiya: istiliyi çipin içərisinə yaymaq

İstiliyin cəmləşməsinə icazə vermək əvəzinə, ümidverici bir fikirdirdurulaşdırmaqbu, çipin özündədir — sanki hovuza bir fincan qaynar su tökmək kimidir. İstilik yarandığı yerə yayılarsa, ən isti cihazlar daha soyuq qalır və ənənəvi soyuducular (istilik radiatorları, ventilyatorlar, maye dövrələri) daha effektiv işləyir. Bunun üçün bir tələb olunuryüksək istilik keçiriciliyinə malik, elektrik izolyasiya materialıaktiv tranzistorlardan incə xüsusiyyətlərini pozmadan yalnız nanometrləri birləşdirdi. Gözlənilməz bir namizəd bu tələbə uyğun gəlir:almaz.

Niyə almaz?

Almaz ən yaxşı istilik keçiricilərindən biridir - misdən bir neçə dəfə yüksəkdir - eyni zamanda elektrik izolyatorudur. Məsələ inteqrasiyadır: ənənəvi böyümə metodları təxminən 900-1000 °C və ya daha yüksək temperatur tələb edir ki, bu da inkişaf etmiş dövrəyə zərər verə bilər. Son nailiyyətlər göstərir ki, nazikpolikristal almazfilmlər (yalnız bir neçə mikrometr qalınlığında) yetişdirilə bilərdaha aşağı temperaturlarbitmiş cihazlar üçün uyğundur.

Bugünkü soyuducular və onların məhdudiyyətləri

Əsas soyutma daha yaxşı istilik radiatorlarına, ventilyatorlara və interfeys materiallarına yönəlmişdir. Tədqiqatçılar həmçinin mikroflüid maye soyutma, faza dəyişdirmə materialları və hətta serverlərin istilik keçirici, elektrik izolyasiya edən mayelərə batırılmasını araşdırırlar. Bunlar vacib addımlardır, lakin onlar həcmli, bahalı və ya inkişaf etməkdə olan texnologiyalara uyğun gəlmir.3D yığılmışçip arxitekturaları, burada birdən çox silikon təbəqəsi "göydələn" kimi davranır. Belə yığınlarda hər təbəqə istilik yaymalıdır; əks halda qaynar nöqtələr içəridə ilişib qalır.

Cihazla uyğun almaz necə yetişdirilir

Tək kristal almaz fövqəladə istilik keçiriciliyinə malikdir (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, misdən təxminən altı dəfə çoxdur). Daha asan hazırlanan polikristal təbəqələr kifayət qədər qalın olduqda bu dəyərlərə yaxınlaşa bilər və hətta daha nazik olduqda belə misdən üstündür. Ənənəvi kimyəvi buxar çöküntüsü metan və hidrogeni yüksək temperaturda reaksiyaya daxil edir və sonradan təbəqəyə birləşən şaquli almaz nanokolumları əmələ gətirir; o vaxta qədər təbəqə qalın, gərgin və çatlamağa meylli olur.
Aşağı temperaturda böyümə fərqli bir resept tələb edir. Sadəcə istiliyi azaltmaq izolyasiyaedici almaz əvəzinə keçirici his verir. Təqdim edirik.oksigendavamlı olaraq qeyri-almaz karbonu aşındırır və bu da imkan verir~400 °C-də iri dənəli polikristal almaz, qabaqcıl inteqral sxemlərlə uyğun bir temperatur. Eyni dərəcədə vacib olan odur ki, proses yalnız üfüqi səthləri deyil, həm də örtüyə biləryan divarlar, bu da təbiətcə 3D cihazlar üçün vacibdir.

Termal sərhəd müqaviməti (TBR): fonon darboğazı

Bərk maddələrdə istilik ötürülürfononlar(kvantlaşdırılmış qəfəs titrəmələri). Maddi interfeyslərdə fononlar əks oluna və yığıla bilər, yarada bilərTermal Sərhəd Müqaviməti (TBR)istilik axınına mane olur. İnterfeys mühəndisliyi TBR-ni azaltmağa çalışır, lakin seçimlər yarımkeçirici uyğunluğu ilə məhdudlaşır. Müəyyən interfeyslərdə qarışdırma nazik bir təbəqə yarada bilər.silisium karbid (SiC)hər iki tərəfdən fonon spektrlərinə daha yaxşı uyğunlaşan, "körpü" rolunu oynayan və TBR-ni azaldan təbəqə, beləliklə cihazlardan almaza istilik ötürülməsini yaxşılaşdırır.

Test yatağı: GaN HEMT-ləri (radio tezlikli tranzistorlar)

2D elektron qazında qallium nitrid idarəetmə cərəyanına əsaslanan yüksək elektron hərəkətli tranzistorlar (HEMT) yüksək tezlikli, yüksək güclü işləməsi üçün qiymətləndirilir (X-zolaqlı ≈8–12 GHz və W-zolaqlı ≈75–110 GHz daxil olmaqla). İstilik səthə çox yaxın şəkildə əmələ gəldiyindən, onlar istənilən yerində istilik yayan təbəqənin əla zondudur. Nazik almaz cihazı - o cümlədən yan divarları - əhatə etdikdə kanal temperaturlarının aşağı düşdüyü müşahidə edilmişdir.~70 °C, yüksək gücdə istilik başlıq boşluğunda əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşmalarla.

CMOS və 3D yığınlarında almaz

Qabaqcıl hesablamalarda,3D yığmainteqrasiya sıxlığını və performansını artırır, lakin ənənəvi, xarici soyuducuların ən az təsirli olduğu daxili istilik maneələri yaradır. Almazı silikonla inteqrasiya etmək yenidən faydalı ola bilərSiC təbəqəsi, yüksək keyfiyyətli istilik interfeysi təmin edir.
Təklif olunan memarlıqlardan biri dəistilik iskeledielektrik daxilində tranzistorların üzərinə yerləşdirilmiş nanometr nazik almaz təbəqələr, bir-birinə bağlıdırşaquli istilik dirəkləri ("istilik sütunları")misdən və ya əlavə almazdan hazırlanmışdır. Bu sütunlar istiliyi xarici soyuducuya çatana qədər təbəqədən təbəqəyə ötürür. Real iş yükü olan simulyasiyalar göstərir ki, bu cür strukturlar pik temperaturu azalda bilərböyüklük dərəcəsinə qədərkonsepsiya sübutları yığınlarında.

Çətin olaraq qalan şey

Əsas çətinliklərə almazın üst səthinin hazırlanması daxildiratom baxımından düzüst tərəfdəki qarşılıqlı əlaqələr və dielektriklərlə sorunsuz inteqrasiya və nazik təbəqələrin əsas dövrəyə stress vermədən əla istilik keçiriciliyini qoruması üçün emal prosesləri üçün.

Perspektiv

Əgər bu yanaşmalar inkişaf etməyə davam edərsə,çip içi almaz istiliyinin yayılmasıCMOS, RF və güc elektronikasında istilik məhdudiyyətlərini əhəmiyyətli dərəcədə azalda bilər - adi istilik cəzaları olmadan daha yüksək performans, daha yüksək etibarlılıq və daha sıx 3D inteqrasiyaya imkan verir.