Prečo sa moderné čipy prehrievajú

Keď sa nanotranzistory prepínajú rýchlosťou gigahertzov, elektróny sa preháňajú obvodmi a strácajú energiu vo forme tepla – rovnakého tepla, aké cítite, keď sa notebook alebo telefón nepríjemne zahreje. Väčšie množstvo tranzistorov na čipe ponecháva menej priestoru na odvod tohto tepla. Namiesto rovnomerného rozloženia cez kremík sa teplo hromadí v horúcich miestach, ktoré môžu byť o desiatky stupňov teplejšie ako okolité oblasti. Aby sa predišlo poškodeniu a strate výkonu, systémy pri prudkom náraste teplôt obmedzujú procesory a grafické karty.

Rozsah tepelnej výzvy

To, čo sa začalo ako preteky v miniaturizácii, sa zmenilo na boj s teplom v celej elektronike. Vo výpočtovej technike výkon neustále zvyšuje hustotu výkonu (jednotlivé servery môžu odoberať rádovo desiatky kilowattov). V komunikáciách vyžadujú digitálne aj analógové obvody vyšší výkon tranzistorov pre silnejšie signály a rýchlejšie dáta. Vo výkonovej elektronike je lepšia účinnosť čoraz viac obmedzená tepelnými obmedzeniami.

Iná stratégia: rozloženie tepla vo vnútri čipu

Namiesto toho, aby sa teplo koncentrovalo, je sľubnou myšlienkouzriediťv samotnom čipe – ako keby ste naliali šálku vriacej vody do bazéna. Ak sa teplo šíri priamo tam, kde vzniká, najteplejšie zariadenia zostanú chladnejšie a konvenčné chladiče (chladiče, ventilátory, kvapalinové okruhy) pracujú efektívnejšie. To si vyžaduje...materiál s vysokou tepelnou vodivosťou, elektricky izolačnýintegrovali len nanometre z aktívnych tranzistorov bez narušenia ich citlivých vlastností. Na tento účel sa hodí neočakávaný kandidát:diamant.

Prečo diamant?

Diamant patrí medzi najlepšie známe tepelné vodiče – niekoľkonásobne lepšie ako meď – a zároveň je elektrickým izolantom. Háčik je v integrácii: konvenčné metódy rastu vyžadujú teploty okolo 900 – 1 000 °C alebo vyššie, čo by poškodilo pokročilé obvody. Nedávny pokrok ukazuje, že tenképolykryštalický diamantfilmy (hrubé len niekoľko mikrometrov) sa dajú pestovať prioveľa nižšie teplotyvhodné pre hotové zariadenia.

Dnešné chladiče a ich limity

Hlavné chladenie sa zameriava na lepšie chladiče, ventilátory a rozhrania. Výskumníci tiež skúmajú mikrofluidné kvapalinové chladenie, materiály s fázovou zmenou a dokonca aj ponáranie serverov do tepelne vodivých, elektricky izolačných kvapalín. Sú to dôležité kroky, ale môžu byť objemné, drahé alebo zle prispôsobené novým technológiám.3D vrstvenéarchitektúry čipov, kde sa viacero kremíkových vrstiev správa ako „mrakodrap“. V takýchto vrstvách musí každá vrstva odvádzať teplo, inak zostanú vo vnútri uväznené horúce miesta.

Ako pestovať diamant vhodný pre zariadenia

Monokryštálový diamant má mimoriadnu tepelnú vodivosť (≈2200 – 2400 W m⁻¹ K⁻¹, čo je približne šesťkrát viac ako meď). Ľahšie vyrobiteľné polykryštalické filmy sa k týmto hodnotám môžu pri dostatočnej hrúbke priblížiť – a stále sú lepšie ako meď, aj keď sú tenšie. Tradičná chemická depozícia z pár reaguje s metánom a vodíkom pri vysokej teplote, čím sa vytvárajú vertikálne diamantové nanostlúpy, ktoré sa neskôr zlúčia do filmu; v tom čase je vrstva hrubá, napätá a náchylná na praskanie.
Rast pri nižších teplotách si vyžaduje iný recept. Jednoduchým znížením teploty vznikajú vodivé sadze namiesto izolačného diamantu. Predstavujemekyslíkkontinuálne leptá nediamantový uhlík, čo umožňujeVeľkozrnný polykryštalický diamant pri ~400 °C, čo je teplota kompatibilná s pokročilými integrovanými obvodmi. Rovnako dôležité je, že tento proces dokáže pokrývať nielen horizontálne povrchy, ale ajbočné steny, čo je dôležité pre zariadenia s inherentne 3D.

Tepelný hraničný odpor (TBR): úzke hrdlo fonónov

Teplo v pevných látkach sa prenášafonóny(kvantované mriežkové vibrácie). Na materiálových rozhraniach sa fonóny môžu odrážať a hromadiť, čím vytvárajútepelný medzný odpor (TBR)čo bráni toku tepla. Inžinierstvo rozhraní sa snaží znížiť TBR, ale možnosti sú obmedzené kompatibilitou polovodičov. Na určitých rozhraniach môže premiešavanie tvoriť tenkú vrstvukarbid kremíka (SiC)vrstva, ktorá lepšie zodpovedá fonónovým spektrám na oboch stranách, pôsobí ako „mostík“ a znižuje TBR – čím sa zlepšuje prenos tepla zo zariadení do diamantu.

Testovacie prostredie: GaN HEMT (rádiofrekvenčné tranzistory)

Tranzistory s vysokou mobilitou elektrónov (HEMT) založené na nitride gália riadia prúd v 2D elektrónovom plyne a sú cenené pre vysokofrekvenčnú prevádzku s vysokým výkonom (vrátane pásma X ≈8–12 GHz a pásma W ≈75–110 GHz). Pretože teplo sa generuje veľmi blízko povrchu, sú vynikajúcou sondou pre akúkoľvek in situ vrstvu rozvádzajúcu teplo. Keď tenký diamant obalí zariadenie – vrátane bočných stien – pozorovalo sa zníženie teploty kanálov o...~70 °C, s podstatným zlepšením tepelnej rezervy pri vysokom výkone.

Diamant v CMOS a 3D vrstvách

V pokročilej výpočtovej technike,3D stohovaniezvyšuje hustotu integrácie a výkon, ale vytvára vnútorné tepelné úzke miesta tam, kde sú tradičné externé chladiče najmenej účinné. Integrácia diamantu s kremíkom môže opäť priniesť prospešný...Medzivrstva SiC, čím sa dosiahne vysoko kvalitné tepelné rozhranie.
Jednou z navrhovaných architektúr jetepelné lešenie: nanometrové diamantové pláty vložené nad tranzistory v dielektriku, spojenévertikálne tepelné priechody („tepelné stĺpy“)vyrobené z medi alebo dodatočného diamantu. Tieto stĺpiky prenášajú teplo z vrstvy do vrstvy, kým nedosiahne externý chladič. Simulácie s realistickými pracovnými zaťaženiami ukazujú, že takéto štruktúry môžu znížiť maximálne teploty oaž do ráduv zásobníkoch na overenie konceptu.

Čo zostáva ťažké

Medzi kľúčové výzvy patrí vytvorenie vrchného povrchu diamantuatómovo plochýpre bezproblémovú integráciu s prekrývajúcimi sa prepojeniami a dielektrikami a zušľachťovacie procesy, aby si tenké vrstvy udržali vynikajúcu tepelnú vodivosť bez namáhania podkladových obvodov.

Výhľad

Ak sa tieto prístupy budú naďalej rozvíjať,rozptyl tepla diamantom v čipeby mohlo podstatne uvoľniť tepelné limity v CMOS, RF a výkonovej elektronike, čo by umožnilo vyšší výkon, väčšiu spoľahlivosť a hustejšiu 3D integráciu bez obvyklých tepelných sankcií.