Nima uchun zamonaviy chiplar qiziydi

Nano o'lchamli tranzistorlar gigagerts chastotasida almashinganda, elektronlar zanjirlar bo'ylab yugurib, issiqlik kabi energiya yo'qotadi - noutbuk yoki telefon noqulay qizib ketganda sezadigan issiqlik bilan bir xil. Chipga ko'proq tranzistorlarni joylashtirish bu issiqlikni olib tashlash uchun kamroq joy qoldiradi. Issiqlik kremniy orqali teng ravishda tarqalish o'rniga, atrofdagi hududlarga qaraganda o'nlab daraja issiqroq bo'lishi mumkin bo'lgan issiq nuqtalarga to'planadi. Shikastlanish va ishlashning yo'qolishining oldini olish uchun tizimlar harorat ko'tarilganda protsessorlar va grafik protsessorlarni sekinlashtiradi.

Termal muammoning ko'lami

Miniatyuralashtirish poygasi sifatida boshlangan narsa barcha elektronikada issiqlik bilan kurashga aylandi. Hisoblashda unumdorlik quvvat zichligini oshirishda davom etmoqda (alohida serverlar o'nlab kilovatt atrofida foydalanishi mumkin). Aloqa sohasida ham raqamli, ham analog sxemalar kuchliroq signallar va tezroq ma'lumotlar uchun yuqori tranzistor quvvatini talab qiladi. Quvvat elektronikasida yaxshiroq samaradorlik issiqlik cheklovlari bilan tobora cheklanib bormoqda.

Boshqa strategiya: issiqlikni chip ichiga tarqatish

Issiqlikning konsentratsiyasiga yo'l qo'yishning o'rniga, istiqbolli g'oyasuyultirishu chipning o'zida — xuddi suzish havzasiga bir stakan qaynoq suv quyish kabi. Agar issiqlik hosil bo'lgan joyga to'g'ri tarqalsa, eng issiq qurilmalar salqinroq bo'lib qoladi va an'anaviy sovutgichlar (issiqlik qabul qilgichlar, ventilyatorlar, suyuq ilmoqlar) samaraliroq ishlaydi. Bu talab qiladiyuqori issiqlik o'tkazuvchanligi, elektr izolyatsiyalovchi materialfaol tranzistorlardan ularning nozik xususiyatlariga xalaqit bermasdan atigi nanometrlarni birlashtirdi. Kutilmagan nomzod bu talabga mos keladi:olmos.

Nima uchun olmos?

Olmos eng yaxshi issiqlik o'tkazgichlaridan biri bo'lib, misdan bir necha baravar yuqori - shu bilan birga elektr izolyatori ham hisoblanadi. Muammo shundaki, integratsiya: an'anaviy o'sish usullari 900–1000 °C atrofida yoki undan yuqori haroratni talab qiladi, bu esa ilg'or elektron sxemalarga zarar yetkazadi. So'nggi yutuqlar shuni ko'rsatadiki, yupqapolikristalli olmosplyonkalar (qalinligi atigi bir necha mikrometr) o'stirilishi mumkinancha past haroratlartayyor qurilmalar uchun mos.

Bugungi sovutgichlar va ularning chegaralari

Asosiy sovutish yaxshiroq issiqlik qabul qilgichlar, ventilyatorlar va interfeys materiallariga qaratilgan. Tadqiqotchilar shuningdek, mikrofluidik suyuqlik sovutish, faza o'zgarishi materiallari va hatto serverlarni issiqlik o'tkazuvchan, elektr izolyatsiya qiluvchi suyuqliklarga botirishni ham o'rganadilar. Bu muhim qadamlar, ammo ular katta hajmli, qimmat yoki yangi paydo bo'layotgan texnologiyalarga mos kelmasligi mumkin.3D-ustma-ust qo'yilganchip arxitekturalari, bunda bir nechta kremniy qatlamlari "osmono'par bino" kabi ishlaydi. Bunday steklarda har bir qatlam issiqlikni chiqarishi kerak; aks holda issiq nuqtalar ichkarida qolib ketadi.

Qurilmaga mos keladigan olmosni qanday etishtirish mumkin

Monokristall olmos ajoyib issiqlik o'tkazuvchanligiga ega (≈2200–2400 Vt m⁻¹ K⁻¹, bu misnikidan taxminan olti baravar ko'p). Osonroq tayyorlanadigan polikristal plyonkalar yetarlicha qalin bo'lganda bu qiymatlarga yaqinlashishi mumkin va hatto yupqaroq bo'lganda ham misdan ustun turadi. An'anaviy kimyoviy bug' cho'kmasi metan va vodorodni yuqori haroratda reaksiyaga kiritadi va keyinchalik plyonkaga birlashadigan vertikal olmos nanokolonlarini hosil qiladi; bu vaqtga kelib qatlam qalin, stressli va yorilishga moyil bo'ladi.
Past haroratda o'sish boshqa retseptni talab qiladi. Issiqlikni pasaytirish izolyatsiya qiluvchi olmos o'rniga o'tkazuvchan kuyik hosil qiladi.kislorodolmos bo'lmagan uglerodni doimiy ravishda o'yib chiqaradi, bu esa imkon beradi~400 °C da yirik donali polikristalli olmos, ilg'or integral mikrosxemalar bilan mos keladigan harorat. Shunchaki muhimi, jarayon nafaqat gorizontal sirtlarni, balkiyon devorlar, bu tabiiy ravishda 3D qurilmalar uchun muhimdir.

Termal chegara qarshiligi (TBR): fonon to'sig'i

Qattiq jismlardagi issiqlik quyidagilar orqali tashiladifononlar(kvantlangan panjara tebranishlari). Materiallar interfeyslarida fononlar aks etishi va to'planishi mumkin, bu esa hosil qiladitermal chegara qarshiligi (TBR)issiqlik oqimiga to'sqinlik qiladi. Interfeys muhandisligi TBRni kamaytirishga intiladi, ammo tanlovlar yarimo'tkazgichlarning mosligi bilan cheklangan. Muayyan interfeyslarda aralashtirish yupqa hosil qilishi mumkinkremniy karbidi (SiC)fonon spektrlariga ikkala tomondan ham yaxshiroq mos keladigan, "ko'prik" vazifasini bajaradigan va TBR ni kamaytiradigan qatlam - shu bilan qurilmalardan olmosga issiqlik uzatishni yaxshilaydi.

Sinov maydonchasi: GaN HEMTlar (radiochastotali tranzistorlar)

2D elektron gazidagi galliy nitridi boshqaruv oqimiga asoslangan yuqori elektronli harakatchanlik tranzistorlari (HEMT) yuqori chastotali, yuqori quvvatli ishlashi uchun qadrlanadi (X-diapazonli ≈8–12 GHz va W-diapazonli ≈75–110 GHz ni o'z ichiga oladi). Issiqlik sirtga juda yaqin joyda hosil bo'lganligi sababli, ular har qanday in-situ issiqlik tarqaladigan qatlamni ajoyib zondidir. Yupqa olmos qurilmani, shu jumladan yon devorlarni ham o'rab olganda, kanal haroratining pasayishi kuzatilgan.~70 °C, yuqori quvvatda issiqlik boshi maydonini sezilarli darajada yaxshilagan holda.

CMOS va 3D steklardagi olmos

Ilg'or hisoblashda,3D stackingintegratsiya zichligi va samaradorligini oshiradi, ammo an'anaviy, tashqi sovutgichlar eng kam samarali bo'lgan ichki termal to'siqlarni yaratadi. Olmosni kremniy bilan integratsiya qilish yana foydali bo'lishi mumkin.SiC qatlami, yuqori sifatli termal interfeysni ta'minlaydi.
Taklif qilingan arxitekturalardan biri buissiqlik iskala: dielektrik ichidagi tranzistorlar ustiga o'rnatilgan nanometr yupqa olmos plitalari, ular orqali ulanganvertikal issiqlik yo'llari ("issiqlik ustunlari")mis yoki qo'shimcha olmosdan yasalgan. Bu ustunlar issiqlikni tashqi sovutgichga yetguncha qatlamdan qatlamga o'tkazadi. Haqiqiy ish yuklamalari bilan simulyatsiyalar shuni ko'rsatadiki, bunday inshootlar eng yuqori haroratni kamaytirishi mumkinkattalik tartibigachakontseptsiyani isbotlash steklarida.

Nima qiyinligicha qolmoqda

Asosiy qiyinchiliklar orasida olmosning yuqori yuzasini yasash kiradiatomik yassiustki o'zaro bog'lanishlar va dielektriklar bilan uzluksiz integratsiya va yupqa plyonkalar asosiy sxemaga stress qo'ymasdan mukammal issiqlik o'tkazuvchanligini saqlab qolish uchun tozalash jarayonlari uchun.

Istiqbol

Agar bu yondashuvlar rivojlanib borsa,chip ichidagi olmosli issiqlik tarqalishiCMOS, RF va quvvat elektronikasidagi issiqlik cheklovlarini sezilarli darajada yumshatishi mumkin - bu odatiy issiqlik jarimalarisiz yuqori ishlash, yuqori ishonchlilik va zichroq 3D integratsiyani ta'minlaydi.