Ни өчен заманча чиплар кайный

Нанокүләмле транзисторлар гигагерц ешлыгында күчкәндә, электроннар схемалар аша йөгерә һәм энергияне җылылык буларак югалта - ноутбук яки телефон уңайсыз җылынганда сизгән җылылык белән бер үк. Чипка күбрәк транзисторлар урнаштыру бу җылылыкны бетерү өчен азрак урын калдыра. Кремний аша тигез таралу урынына, җылылык тирә-юньдәге төбәкләргә караганда дистәләгән градуска эссерәк булырга мөмкин булган кайнар нокталарга җыела. Зыянны һәм җитештерүчәнлекне югалтуны булдырмас өчен, системалар температура күтәрелгәндә процессорларны һәм график процессорларны сүндерә.

Термик проблеманың күләме

Миниатюризацияләү ярышы буларак башланган нәрсә, барлык электроникада да җылылык белән көрәшкә әйләнде. Исәпләүдә җитештерүчәнлек энергия тыгызлыгын арттыра бара (аерым серверлар дистәләгән киловатт куллана ала). Элемтәдә санлы һәм аналог схемалар көчлерәк сигналлар һәм тизрәк мәгълүмат алу өчен югарырак транзистор көчен таләп итә. Көчле электроникада яхшырак нәтиҗәлелек җылылык чикләүләре белән чикләнә бара.

Башка стратегия: җылылыкны чип эченә тарату

Җылылыкның туплануына юл кую урынына, өметле идея -суюлтуул чипның үзендә - бассейнга кайнар су кую кебек. Әгәр җылылык барлыкка килгән урынга турыдан-туры таралса, иң кайнар җайланмалар салкынрак кала, ә гадәти суыткычлар (җылылык раковиналары, җилләткечләр, сыеклык цикллары) нәтиҗәлерәк эшли. Моның өченюгары җылылык үткәрүчәнлеге булган, электр изоляцияләүче материалактив транзисторлардан аларның нечкә үзлекләренә зыян китермичә, нибары нанометрларны гына берләштергән. Көтелмәгән кандидат бу максатка туры килә:алмаз.

Ни өчен бриллиант?

Алмаз - билгеле булган иң яхшы җылылык үткәргечләренең берсе - бакырдан берничә тапкыр югарырак - шул ук вакытта электр изоляторы да. Проблема интеграциядә: гадәти үстерү ысуллары якынча 900–1000 °C яки аннан югарырак температура таләп итә, бу алдынгы схемаларга зыян китерер иде. Соңгы казанышлар нечкә икәнен күрсәтә.поликристалл алмазпленкалар (берничә микрометр калынлыкта гына) үстерелергә мөмкинкүпкә түбәнрәк температураларәзер җайланмалар өчен яраклы.

Бүгенге суыткычлар һәм аларның чикләүләре

Төп суыту яхшырак җылылык раковиналарына, вентиляторларга һәм интерфейс материалларына юнәлтелгән. Тикшеренүчеләр шулай ук ​​микрофлюидик сыекча суыту, фаза алыштыру материаллары һәм хәтта серверларны җылылык үткәрүчән, электр изоляцияләүче сыеклыкларга батыру ысулларын өйрәнәләр. Болар мөһим адымнар, ләкин алар зур күләмле, кыйммәт яки яңа барлыкка килүче технологияләргә туры килмәскә мөмкин.3D катламлычип архитектуралары, анда берничә кремний катламы "күккә очкан бина" кебек эшли. Мондый катламнарда һәр катлам җылылыкны чыгарырга тиеш; югыйсә кайнар нокталар эчендә калып кала.

Җайланмага яраклы бриллиантны ничек үстерергә

Монокристалл алмаз гаҗәеп җылы үткәрүчәнлеккә ия (≈2200–2400 Вт м⁻¹ К⁻¹, бакырныкыннан якынча алты тапкыр күбрәк). Җиңелрәк ясалган поликристалл пленкалар җитәрлек калынлыкта булганда бу кыйммәтләргә якынлаша ала, һәм хәтта нечкәрәк булганда да бакырдан өстенрәк. Традицион химик пар утырту метан һәм водородны югары температурада реакциягә кертә, соңрак пленкага кушыла торган вертикаль алмаз наноколомкалары барлыкка китерә; ул вакытка катлам калын, киеренке һәм ярылырга бирешүчән була.
Түбән температурада үстерү өчен башка рецепт кирәк. Җылылыкны киметү изоляцияләүче алмаз урынына үткәргеч корым бирә.кислородалмаз булмаган углеродны өзлексез рәвештә кисеп чыгара, бу мөмкинлек бирә~400 °C температурада эре бөртекле поликристалл алмаз, алдынгы интеграль схемалар белән туры килә торган температура. Шуның кебек үк мөһиме, процесс горизонталь өслекләрне генә түгел, ә шулай ук ​​капларга мөмкин.ян стеналар, бу табигатенә туры килгән 3D җайланмалар өчен мөһим.

Термик чик каршылыгы (TBR): фонон тарлыгы

Каты матдәләрдә җылылык түбәндәгечә күчереләфононнар(квантланган челтәр тибрәнүләре). Материал чикләрендә фононнар чагылып, өемләшеп, барлыкка китерә алаҗылылык чик каршылыгы (TBR)җылылык агымына комачаулый. Интерфейс инженериясе TBRны киметергә омтыла, ләкин сайлау ярымүткәргечләр белән туры килүчәнлек белән чикләнгән. Кайбер интерфейсларда, катнашма нечкә матдә барлыкка китерергә мөмкинкремний карбиды (SiC)ике яктан да фонон спектрларына яхшырак туры килә торган, "күпер" булып хезмәт итүче һәм TBRны киметә торган катлам, шуның белән җайланмалардан алмазга җылылык тапшыруны яхшырта.

Сынау мәйданчыгы: GaN HEMTs (радиоешлык транзисторлары)

2D электрон газындагы галлий нитриды белән идарә итү тогына нигезләнгән югары электронлы мобиль транзисторлар (HEMT) югары ешлыклы, югары куәтле эшләү өчен бәяләнә (X-диапазоны ≈8–12 ГГц һәм W-диапазоны ≈75–110 ГГцны кертеп). Җылылык өслеккә бик якын барлыкка килгәнлектән, алар теләсә нинди урында җылылык таратучы катламны бик яхшы зондлый. Җайланманы, шул исәптән ян диварларны да, нечкә алмаз каплаганда, канал температурасының кимүе күзәтелә.~70 °C, югары куәттә җылылык өслеген сизелерлек яхшырту белән.

CMOS һәм 3D стекларындагы алмаз

Алга киткән исәпләүләрдә,3D катламлаштыруинтеграция тыгызлыгын һәм нәтиҗәлелеген арттыра, ләкин эчке җылылык чикләүләре тудыра, анда традицион, тышкы суыткычлар иң аз нәтиҗәле була. Алмазны кремний белән интеграцияләү тагын бер тапкыр файдалы булырга мөмкинSiC катламы, югары сыйфатлы җылылык интерфейсын бирә.
Тәкъдим ителгән архитектураларның берсе -җылылык каркасыдиэлектрик эчендәге транзисторлар өстенә урнаштырылган нанометрлы нечкә алмаз битләре, алар белән тоташтырылганвертикаль җылылык үткәргечләре (“җылылык баганалары”)бакырдан яки өстәмә алмаздан ясалган. Бу багана җылылыкны катламнан катламга үткәрә, ул тышкы суыткычка җиткәнче. Реалистик эш йөкләмәләре белән симуляцияләр мондый корылмаларның пик температураларын киметә алуын күрсәтәзурлык тәртибенә кадәрконцепцияне исбатлау стекларында.

Нәрсә авыр булып кала

Төп кыенлыклар арасында бриллиантның өске өслеген ясау баратом ягыннан яссыөске тоташтыргычлар һәм диэлектриклар белән өзлексез интеграцияләү, һәм юка пленкаларның астагы схемага көчәнеш кертмичә, җылылык үткәрүчәнлеген яхшы саклап калу өчен эшкәртү процесслары өчен.

Перспектива

Әгәр бу алымнар камилләшүен дәвам итсә,чип эчендәге алмаз җылылыгы таралуыCMOS, RF һәм көч электроникасындагы җылылык чикләүләрен сизелерлек йомшарта ала - гадәти җылылык чикләүләресез югарырак җитештерүчәнлек, ышанычлыраклык һәм тыгызрак 3D интеграцияләү мөмкинлеге бирә.