Dlaczego nowoczesne układy scalone się nagrzewają

Ponieważ tranzystory w skali nano przełączają się z częstotliwością gigahercową, elektrony pędzą przez obwody i tracą energię w postaci ciepła – tego samego ciepła, które odczuwamy, gdy laptop lub telefon robi się nieprzyjemnie ciepły. Umieszczenie większej liczby tranzystorów na chipie pozostawia mniej miejsca na odprowadzenie tego ciepła. Zamiast równomiernie rozprowadzać się po krzemie, ciepło gromadzi się w punktach o wysokiej temperaturze, która może być o dziesiątki stopni wyższa niż otaczające ją obszary. Aby uniknąć uszkodzeń i spadku wydajności, systemy ograniczają przepustowość procesorów i kart graficznych w przypadku gwałtownego wzrostu temperatury.

Zakres wyzwania termicznego

To, co zaczęło się jako wyścig o miniaturyzację, przerodziło się w walkę z ciepłem we wszystkich dziedzinach elektroniki. W informatyce wydajność stale rośnie, zwiększając gęstość mocy (pojedyncze serwery mogą pobierać moc rzędu dziesiątek kilowatów). W komunikacji, zarówno układy cyfrowe, jak i analogowe wymagają wyższej mocy tranzystorów, aby zapewnić mocniejsze sygnały i szybsze przesyłanie danych. W elektronice mocy, lepsza wydajność jest coraz bardziej ograniczona przez ograniczenia termiczne.

Inna strategia: rozprowadzanie ciepła wewnątrz układu scalonego

Zamiast pozwolić ciepłu się koncentrować, obiecującym pomysłem jestrozcieńczaćw samym chipie – jak wlewanie szklanki wrzątku do basenu. Jeśli ciepło rozprowadza się dokładnie tam, gdzie powstaje, najgorętsze urządzenia pozostają chłodniejsze, a konwencjonalne systemy chłodzenia (radiatory, wentylatory, pętle cieczy) działają wydajniej. Wymaga tomateriał o wysokiej przewodności cieplnej i izolujący elektrycznieZintegrowano zaledwie nanometry z aktywnych tranzystorów, nie naruszając ich delikatnych właściwości. Nieoczekiwany kandydat pasuje do tego opisu:diament.

Dlaczego diament?

Diament należy do najlepszych znanych przewodników ciepła – kilkakrotnie lepszych niż miedź – a jednocześnie jest izolatorem elektrycznym. Problem tkwi w integracji: konwencjonalne metody wzrostu wymagają temperatur rzędu 900–1000°C lub wyższych, co mogłoby uszkodzić zaawansowane obwody. Najnowsze postępy pokazują, że cienkiediament polikrystalicznyfolie (o grubości zaledwie kilku mikrometrów) można uprawiać wznacznie niższe temperaturynadaje się do urządzeń gotowych.

Dzisiejsze chłodziarki i ich ograniczenia

W powszechnym nurcie chłodzenia kładzie się nacisk na lepsze radiatory, wentylatory i materiały interfejsowe. Naukowcy badają również mikroprzepływowe chłodzenie cieczą, materiały zmiennofazowe, a nawet zanurzanie serwerów w cieczach przewodzących ciepło i izolujących elektrycznie. To ważne etapy, ale mogą być one pracochłonne, kosztowne lub słabo dopasowane do nowych technologii.Ułożone w 3Darchitektur układów scalonych, w których wiele warstw krzemu zachowuje się jak „drapacz chmur”. W takich stosach każda warstwa musi oddawać ciepło; w przeciwnym razie wewnątrz układu zostaną uwięzione punkty gorące.

Jak uprawiać diamenty przyjazne dla urządzeń

Diament monokrystaliczny charakteryzuje się niezwykłą przewodnością cieplną (≈2200–2400 W·m⁻¹·K⁻¹, około sześciokrotnie większą niż miedź). Łatwiejsze w produkcji warstwy polikrystaliczne mogą osiągać te wartości, gdy są wystarczająco grube – i nadal są lepsze od miedzi, nawet gdy są cieńsze. Tradycyjne chemiczne osadzanie z fazy gazowej polega na reakcji metanu i wodoru w wysokiej temperaturze, tworząc pionowe diamentowe nanokolumny, które później łączą się w warstwę; wówczas warstwa jest gruba, naprężona i podatna na pękanie.
Wzrost w niższej temperaturze wymaga innej receptury. Samo obniżenie temperatury powoduje powstanie przewodzącej sadzy zamiast izolującego diamentu. Przedstawiamytlennieprzerwanie trawi węgiel niediamentowy, umożliwiającpolikrystaliczny diament o dużym ziarnie w temperaturze ~400 °C, temperatura zgodna z zaawansowanymi układami scalonymi. Co równie ważne, proces ten umożliwia powlekanie nie tylko powierzchni poziomych, ale takżeściany boczne, co ma znaczenie w przypadku urządzeń z natury 3D.

Opór cieplny na granicy (TBR): wąskie gardło fononów

Ciepło w ciałach stałych jest przenoszone przezfonony(skwantowane drgania sieci). Na stykach materiałów fonony mogą się odbijać i kumulować, tworzącrezystancja graniczna cieplna (TBR)co utrudnia przepływ ciepła. Inżynieria interfejsów dąży do obniżenia TBR, ale wybór jest ograniczony przez kompatybilność półprzewodników. Na niektórych interfejsach mieszanie może tworzyć cienką warstwę.węglik krzemu (SiC)warstwa lepiej dopasowana do widm fononów po obu stronach, działająca jako „most” i redukująca TBR — poprawiając w ten sposób przenoszenie ciepła z urządzeń do diamentu.

Poligon doświadczalny: GaN HEMT (tranzystory radiowe)

Tranzystory o wysokiej ruchliwości elektronów (HEMT) oparte na azotku galu kontrolują prąd w dwuwymiarowym gazie elektronowym i są cenione za pracę w wysokiej częstotliwości i dużej mocy (w tym w paśmie X ≈8–12 GHz i paśmie W ≈75–110 GHz). Ponieważ ciepło jest generowane bardzo blisko powierzchni, stanowią one doskonały tester każdej warstwy rozpraszającej ciepło in situ. Zaobserwowano, że gdy urządzenie – w tym ścianki boczne – jest otoczone cienkim diamentem, temperatura kanału spada o~70 °C, ze znaczną poprawą zapasu ciepła przy dużej mocy.

Diament w stosach CMOS i 3D

W zaawansowanych obliczeniach,Układanie 3DZwiększa gęstość integracji i wydajność, ale tworzy wewnętrzne wąskie gardła termiczne, gdzie tradycyjne, zewnętrzne systemy chłodzenia są najmniej skuteczne. Integracja diamentu z krzemem może ponownie przynieść korzystne rezultaty.Warstwa pośrednia SiC, zapewniając wysokiej jakości interfejs termiczny.
Jedną z proponowanych architektur jestrusztowanie termiczne:nanometrowej grubości diamentowe arkusze osadzone nad tranzystorami wewnątrz dielektryka, połączonepionowe otwory termiczne („słupy cieplne”)Wykonane z miedzi lub dodatkowego diamentu. Te filary przekazują ciepło z warstwy na warstwę, aż dotrze ono do zewnętrznego układu chłodzenia. Symulacje z realistycznymi obciążeniami pokazują, że takie konstrukcje mogą obniżyć temperatury szczytowe poprzezdo rzędu wielkościw stosach proof-of-concept.

Co pozostaje trudne

Do głównych wyzwań należy wykonanie górnej powierzchni diamentuatomowo płaskido bezproblemowej integracji z położonymi wyżej połączeniami i dielektrykami oraz procesów rafinacji, dzięki którym cienkie warstwy zachowują doskonałą przewodność cieplną bez narażania leżących u ich podstaw obwodów.

Perspektywy

Jeżeli te podejścia będą się nadal rozwijać,rozprowadzanie ciepła diamentem w chipiemoże znacząco złagodzić ograniczenia termiczne w układach CMOS, RF i elektronice mocy, umożliwiając wyższą wydajność, większą niezawodność i gęstszą integrację 3D bez typowych ograniczeń termicznych.