Ինչու են ժամանակակից չիպերը տաքանում

Քանի որ նանոմասշտաբի տրանզիստորները միանում են գիգահերցային արագությամբ, էլեկտրոնները վազում են շղթաներով և կորցնում էներգիան որպես ջերմություն՝ նույն ջերմությունը, որը դուք զգում եք, երբ նոութբուքը կամ հեռախոսը անհարմար տաքանում է: Չիպի վրա ավելի շատ տրանզիստորներ տեղադրելը ավելի քիչ տեղ է թողնում այդ ջերմությունը հեռացնելու համար: Սիլիցիումի միջով հավասարաչափ տարածվելու փոխարեն, ջերմությունը կուտակվում է տաք կետերում, որոնք կարող են տասնյակ աստիճանով ավելի տաք լինել, քան շրջակա տարածքները: Վնասներից և արտադրողականության կորստից խուսափելու համար համակարգերը դանդաղեցնում են CPU-ները և GPU-ները, երբ ջերմաստիճանը կտրուկ աճում է:

Ջերմային մարտահրավերի շրջանակը

Այն, ինչ սկսվեց որպես մանրացման մրցավազք, վերածվեց բոլոր էլեկտրոնիկայի ջերմության դեմ պայքարի: Հաշվողական տեխնիկայի ոլորտում արտադրողականությունը շարունակում է բարձրացնել հզորության խտությունը (առանձին սերվերները կարող են սպառել տասնյակ կիլովատտների կարգի): Կապի մեջ և՛ թվային, և՛ անալոգային սխեմաները պահանջում են ավելի բարձր տրանզիստորային հզորություն՝ ավելի ուժեղ ազդանշանների և ավելի արագ տվյալների համար: Հզոր էլեկտրոնիկայում ավելի լավ արդյունավետությունը ավելի ու ավելի է սահմանափակվում ջերմային սահմանափակումներով:

Այլ ռազմավարություն՝ ջերմության տարածում չիպի ներսում

Ջերմությունը կենտրոնացնելու փոխարեն, խոստումնալից գաղափար էնոսրացնելայն չիպի ներսում է՝ ինչպես լողավազանի մեջ մի բաժակ եռացող ջուր լցնելը։ Եթե ջերմությունը տարածվում է հենց այնտեղ, որտեղ այն առաջանում է, ամենատաք սարքերը մնում են ավելի զով, և ավանդական սառեցուցիչները (ջերմափոխանակիչներ, օդափոխիչներ, հեղուկային ցիկլեր) ավելի արդյունավետ են աշխատում։ Սա պահանջում էբարձր ջերմահաղորդականություն ունեցող, էլեկտրամեկուսիչ նյութԱկտիվ տրանզիստորներից ինտեգրված ընդամենը նանոմետրեր՝ առանց խախտելու դրանց նուրբ հատկությունները: Այս խնդրին համապատասխանում է անսպասելի թեկնածու.ադամանդ.

Ինչո՞ւ ադամանդ։

Ալմաստը հայտնի լավագույն ջերմահաղորդիչներից է՝ մի քանի անգամ ավելի բարձր, քան պղինձը, միաժամանակ լինելով էլեկտրական մեկուսիչ։ Խնդիրը ինտեգրումն է. ավանդական աճեցման մեթոդները պահանջում են մոտ 900–1000°C կամ ավելի բարձր ջերմաստիճան, ինչը կվնասի առաջադեմ սխեմաներին։ Վերջին առաջընթացները ցույց են տալիս, որ բարակպոլիկրիստալային ադամանդթաղանթները (ընդամենը մի քանի միկրոմետր հաստությամբ) կարող են աճեցվելշատ ավելի ցածր ջերմաստիճաններհարմար է ավարտված սարքերի համար:

Այսօրվա սառնարանները և դրանց սահմանները

Հիմնական սառեցումը կենտրոնանում է ավելի լավ ջերմափոխանակիչների, օդափոխիչների և ինտերֆեյսային նյութերի վրա: Հետազոտողները նաև ուսումնասիրում են միկրոհոսքային հեղուկային սառեցումը, փուլային փոփոխության նյութերը և նույնիսկ սերվերների ընկղմումը ջերմահաղորդ, էլեկտրական մեկուսիչ հեղուկների մեջ: Սրանք կարևոր քայլեր են, բայց դրանք կարող են լինել ծավալուն, թանկ կամ վատ համապատասխանել զարգացող տեխնոլոգիաներին:3D-stackedչիպային ճարտարապետություններ, որտեղ բազմաթիվ սիլիցիումային շերտերը գործում են որպես «երկնաքեր»։ Նման շերտերում յուրաքանչյուր շերտ պետք է ջերմություն կորցնի, հակառակ դեպքում տաք կետերը կհայտնվեն ներսում։

Ինչպես աճեցնել սարքի համար հարմար ադամանդ

Միաբյուրեղային ադամանդն ունի արտակարգ ջերմահաղորդականություն (≈2200–2400 Վտ մ⁻¹ Կ⁻¹, մոտ վեց անգամ ավելի, քան պղնձինը): Ավելի հեշտ պատրաստվող պոլիբյուրեղային թաղանթները կարող են մոտենալ այս արժեքներին, երբ բավականաչափ հաստ են, և դեռևս գերազանցում են պղնձին, նույնիսկ երբ ավելի բարակ են: Ավանդական քիմիական գոլորշու նստեցումը բարձր ջերմաստիճանում փոխազդում է մեթանի և ջրածնի հետ՝ առաջացնելով ուղղահայաց ադամանդե նանոասյուներ, որոնք հետագայում միաձուլվում են թաղանթի մեջ. այդ ժամանակ շերտը հաստ է, լարված և հակված է ճաքերի:
Ցածր ջերմաստիճանում աճեցումը պահանջում է այլ բաղադրատոմս։ Պարզապես ջերմությունը նվազեցնելը առաջացնում է հաղորդիչ մուր, այլ ոչ թե մեկուսացնող ադամանդ։ Ներկայացնում ենքթթվածինանընդհատ փորագրում է ոչ ադամանդե ածխածին, հնարավորություն տալովխոշորահատիկ պոլիբյուրեղային ադամանդ՝ մոտ 400 °C ջերմաստիճանում, ջերմաստիճան, որը համատեղելի է առաջադեմ ինտեգրալ սխեմաների հետ։ Նույնքան կարևոր է, որ գործընթացը կարող է ծածկել ոչ միայն հորիզոնական մակերեսները, այլևկողային պատեր, որը կարևոր է բնույթով 3D սարքերի համար։

Ջերմային սահմանային դիմադրություն (ՋՍԴ): ֆոնոնի նեղուց

Պինդ մարմիններում ջերմությունը փոխանցվում էֆոնոններ(քվանտացված ցանցային տատանումներ): Նյութական միջերեսներում ֆոնոնները կարող են անդրադարձնել և կուտակվել՝ ստեղծելովջերմային սահմանային դիմադրություն (TBR)որը խոչընդոտում է ջերմության հոսքը: Ինտերֆեյսի ինժեներիան ձգտում է նվազեցնել ջերմության փոխանցման արագությունը (TBR), սակայն ընտրությունները սահմանափակվում են կիսահաղորդչային համատեղելիությամբ: Որոշակի ինտերֆեյսներում խառնումը կարող է առաջացնել բարակ շերտսիլիցիումի կարբիդ (SiC)շերտ, որն ավելի լավ է համապատասխանում ֆոնոնային սպեկտրներին երկու կողմերից՝ գործելով որպես «կամուրջ» և նվազեցնելով ջերմափոխանակման ջերմությունը (TBR), այդպիսով բարելավելով սարքերից ադամանդի ջերմափոխանակումը։

Փորձարկման հարթակ. GaN HEMT-ներ (ռադիոհաճախականության տրանզիստորներ)

Բարձր էլեկտրոնային շարժունակության տրանզիստորներ (HEMT), որոնք հիմնված են գալիումի նիտրիդի կառավարման հոսանքի վրա երկչափ էլեկտրոնային գազում և գնահատվում են բարձր հաճախականության, բարձր հզորության աշխատանքի համար (ներառյալ X-շերտը ≈8–12 GHz և W-շերտը ≈75–110 GHz): Քանի որ ջերմությունը առաջանում է մակերեսին շատ մոտ, դրանք հիանալի զոնդ են ցանկացած տեղում ջերմություն տարածող շերտի համար: Երբ բարակ ադամանդը պատում է սարքը՝ ներառյալ կողմնային պատերը, դիտվել է, որ ալիքի ջերմաստիճանը նվազում է~70 °C, բարձր հզորության դեպքում ջերմային գլխամասի զգալի բարելավումներով։

Ադամանդ CMOS և 3D կույտերում

Առաջադեմ հաշվարկներում,3D կուտակումմեծացնում է ինտեգրման խտությունը և կատարողականությունը, բայց ստեղծում է ներքին ջերմային խոչընդոտներ այնտեղ, որտեղ ավանդական, արտաքին սառեցուցիչները ամենաքիչ արդյունավետ են: Ալմաստի ինտեգրումը սիլիցիումի հետ կարող է կրկին ստեղծել օգտակարSiC միջանկյալ շերտ, ինչը հանգեցնում է բարձրորակ ջերմային միջերեսի։
Առաջարկվող ճարտարապետություններից մեկըջերմային կառամատույցնանոմետր բարակ ադամանդե թերթեր, որոնք տեղադրված են տրանզիստորների վերևում՝ դիէլեկտրիկի ներսում, միացված ենուղղահայաց ջերմային անցքեր («ջերմային սյուներ»)պատրաստված պղնձից կամ լրացուցիչ ադամանդից: Այս սյուները ջերմությունը փոխանցում են շերտից շերտ, մինչև այն հասնի արտաքին սառեցնող սարքին: Իրատեսական աշխատանքային բեռներով մոդելավորումները ցույց են տալիս, որ նման կառուցվածքները կարող են նվազեցնել գագաթնակետային ջերմաստիճանըմինչև որոշակի մեծության կարգհայեցակարգի ապացույցի կույտերում։

Ինչը մնում է դժվար

Հիմնական մարտահրավերներից է ադամանդի վերին մակերեսի պատրաստումըատոմապես հարթվերին միացումների և դիէլեկտրիկների հետ անխափան ինտեգրման և մաքրման գործընթացների համար, որպեսզի բարակ թաղանթները պահպանեն գերազանց ջերմահաղորդականություն՝ առանց հիմքում ընկած սխեմաների վրա ծանրաբեռնվածություն գործադրելու։

Հեռանկար

Եթե ​​այս մոտեցումները շարունակեն հասունանալ,չիպի մեջ ադամանդի ջերմության տարածումկարող է զգալիորեն թուլացնել CMOS, RF և ուժային էլեկտրոնիկայի ջերմային սահմանափակումները՝ թույլ տալով ավելի բարձր արդյունավետություն, ավելի մեծ հուսալիություն և ավելի խիտ 3D ինտեգրացիա՝ առանց սովորական ջերմային տույժերի։