Чому сучасні чіпи нагріваються

Коли нанорозмірні транзистори перемикаються з частотою в гігагерцах, електрони проносяться крізь схеми та втрачають енергію у вигляді тепла — того самого тепла, яке ви відчуваєте, коли ноутбук або телефон неприємно нагріваються. Розміщення більшої кількості транзисторів на чіпі залишає менше місця для відведення цього тепла. Замість рівномірного розподілу по кремнію тепло накопичується в гарячих точках, які можуть бути на десятки градусів гарячішими, ніж навколишні області. Щоб уникнути пошкоджень та втрати продуктивності, системи дроселюють процесори та графічні процесори, коли температура різко підвищується.

Масштаб термічної проблеми

Те, що починалося як гонка за мініатюризацією, перетворилося на битву з теплом у всій електроніці. В обчислювальній техніці продуктивність постійно підвищує щільність потужності (окремі сервери можуть споживати близько десятків кіловат). У зв'язку як цифрові, так і аналогові схеми вимагають більшої потужності транзисторів для сильніших сигналів і швидшої передачі даних. У силовій електроніці підвищення ефективності дедалі більше обмежується тепловими обмеженнями.

Інша стратегія: розподіл тепла всередині чіпа

Замість того, щоб дозволяти теплу концентруватися, перспективною ідеєю єрозбавитице всередині самого чіпа — як налити склянку окропу в басейн. Якщо тепло поширюється саме там, де воно генерується, найгарячіші пристрої залишаються холоднішими, а звичайні охолоджувачі (радіатори, вентилятори, рідинні контури) працюють ефективніше. Це вимагаєвисокотеплопровідний, електроізоляційний матеріалінтегрували лише нанометри з активних транзисторів, не порушуючи їхніх делікатних властивостей. Несподіваний кандидат підходить під цей опис:діамант.

Чому саме діамант?

Алмаз є одним із найкращих відомих теплопровідників — у кілька разів кращим за мідь — а також є електричним ізолятором. Проблема полягає в інтеграції: звичайні методи вирощування вимагають температур близько 900–1000 °C або вище, що може пошкодити сучасні схеми. Нещодавні досягнення показують, що тонкіполікристалічний алмазплівки (товщиною лише кілька мікрометрів) можна вирощувати призначно нижчі температурипідходить для готових пристроїв.

Сучасні охолоджувачі та їхні обмеження

Основні технології охолодження зосереджені на вдосконаленні радіаторів, вентиляторів та інтерфейсних матеріалів. Дослідники також досліджують мікрофлюїдне рідинне охолодження, матеріали з фазовим переходом і навіть занурення серверів у теплопровідні, електроізоляційні рідини. Це важливі кроки, але вони можуть бути громіздкими, дорогими або погано узгодженими з новими технологіями.3D-стекованийархітектури мікросхем, де кілька кремнієвих шарів поводяться як «хмарочос». У таких стеках кожен шар повинен віддавати тепло; інакше гарячі точки залишаються всередині.

Як виростити діамант, зручний для використання на пристрої

Монокристалічний алмаз має надзвичайну теплопровідність (≈2200–2400 Вт м⁻¹ K⁻¹, що приблизно в шість разів більше, ніж у міді). Легші у виготовленні полікристалічні плівки можуть наблизитися до цих значень, якщо вони достатньо товсті, і все ще перевершують мідь, навіть якщо вони тонші. Традиційне хімічне осадження з парової фази призводить до реакції метану та водню за високої температури, утворюючи вертикальні алмазні наностолони, які пізніше зливаються в плівку; до того часу шар стає товстим, напруженим і схильним до розтріскування.
Зростання за нижчих температур вимагає іншого рецепту. Просте зменшення температури призводить до отримання провідної сажі, а не ізолюючого алмазу. Представляємокисеньбезперервно травить неалмазний вуглець, що дозволяєвеликозернистий полікристалічний алмаз при ~400 °C, температура, сумісна з передовими інтегральними схемами. Не менш важливо, що цей процес може покривати не лише горизонтальні поверхні, але йбоковини, що важливо для за своєю суттю 3D-пристроїв.

Термічний граничний опір (TBR): фононне вузьке місце

Тепло в твердих тілах переноситьсяфонони(квантовані коливання решітки). На межі розділу матеріалів фонони можуть відбиватися та накопичуватися, створюючитепловий граничний опір (TBR)що перешкоджає тепловому потоку. Інженерія інтерфейсу прагне знизити TBR, але вибір обмежений сумісністю напівпровідників. На певних інтерфейсах змішування може утворювати тонкий шаркарбід кремнію (SiC)шар, який краще відповідає фононним спектрам з обох сторін, діючи як «місток» і зменшуючи TBR, тим самим покращуючи передачу тепла від пристроїв до алмаза.

Випробувальний стенд: GaN HEMT (радіочастотні транзистори)

Транзистори з високою рухливістю електронів (HEMT) на основі нітриду галію керують струмом у двовимірному електронному газі та цінуються за високочастотну роботу з високою потужністю (включаючи X-діапазон ≈8–12 ГГц та W-діапазон ≈75–110 ГГц). Оскільки тепло генерується дуже близько до поверхні, вони є чудовим зондом будь-якого шару теплорозподілу in situ. Коли тонкий алмаз інкапсулює пристрій, включаючи бічні стінки, спостерігається зниження температури каналу на~70 °C, зі суттєвим покращенням теплового запасу при високій потужності.

Алмаз у CMOS та 3D-стеках

У передових обчисленнях,3D-стекуваннязбільшує щільність інтеграції та продуктивність, але створює внутрішні теплові вузькі місця там, де традиційні зовнішні охолоджувачі найменш ефективні. Інтеграція алмазу з кремнієм знову може призвести до корисного ефекту.прошарок SiC, що забезпечує високоякісний тепловий інтерфейс.
Одна з запропонованих архітектур – цетермокаркас: нанометрові алмазні листи, вбудовані над транзисторами в діелектрику, з'єднанівертикальні теплові переходи («теплові стовпи»)виготовлені з міді або додаткового алмазу. Ці стовпи передають тепло від шару до шару, доки воно не досягне зовнішнього охолоджувача. Моделювання з реальними робочими навантаженнями показує, що такі конструкції можуть знизити пікові температури надо порядку величиниу стеках для підтвердження концепції.

Що залишається складним

Ключові проблеми включають створення верхньої поверхні алмазуатомарно плоскийдля безшовної інтеграції з верхніми з'єднаннями та діелектриками, а також процесів удосконалення, завдяки яким тонкі плівки зберігають чудову теплопровідність, не навантажуючи нижню схему.

Перспективи

Якщо ці підходи продовжуватимуть розвиватися,розподіл тепла всередині алмазного стружкиможе суттєво послабити теплові обмеження в КМОП-, РЧ- та силовій електроніці, що забезпечує вищу продуктивність, більшу надійність та щільнішу 3D-інтеграцію без звичайних теплових страт.