Kodėl šiuolaikiniai lustai įkaista

Nanoskalės tranzistoriams persijungiant gigahercų dažniu, elektronai skrieja per grandines ir praranda energiją šilumos pavidalu – tokią pačią šilumą jaučiate, kai nešiojamas kompiuteris ar telefonas nemaloniai įkaista. Kuo daugiau tranzistorių telpa į lustą, tuo mažiau vietos šilumai pašalinti. Užuot tolygiai pasklidusi po silicį, šiluma kaupiasi karštosiose vietose, kurios gali būti dešimtimis laipsnių karštesnės nei aplinkinės sritys. Siekdamos išvengti pažeidimų ir našumo praradimo, sistemos riboja procesorių ir grafikos procesorių apkrovą, kai temperatūra pakyla.

Terminio iššūkio apimtis

Tai, kas prasidėjo kaip miniatiūrizacijos lenktynės, virto kova su karščiu visoje elektronikoje. Skaičiavimo srityje našumas nuolat didina energijos tankį (atskiri serveriai gali sunaudoti dešimtis kilovatų). Ryšių srityje tiek skaitmeninėms, tiek analoginėms grandinėms reikalinga didesnė tranzistorių galia, kad signalai būtų stipresni ir duomenys perduodami greičiau. Galios elektronikoje geresnį efektyvumą vis labiau riboja šiluminiai apribojimai.

Kita strategija: paskleiskite šilumą lusto viduje

Užuot leidus šilumai koncentruotis, perspektyvi idėja yrapraskiestaspačioje mikroschemoje – tarsi įpilant puodelį verdančio vandens į baseiną. Jei šiluma pasklinda ten, kur ji susidaro, karščiausi įrenginiai išlieka vėsesni, o įprasti aušintuvai (radiatoriai, ventiliatoriai, skysčių kilpos) veikia efektyviau. Tam reikiadidelio šilumos laidumo, elektrai izoliuojanti medžiagaintegravo vos nanometrus iš aktyviųjų tranzistorių, nepažeisdamas jų subtilių savybių. Netikėtas kandidatas atitinka šį reikalavimą:deimantas.

Kodėl deimantas?

Deimantas yra vienas geriausių žinomų šilumos laidininkų – kelis kartus geresnis nei varis – ir kartu yra elektros izoliatorius. Svarbiausia yra integracija: įprastiems auginimo metodams reikalinga apie 900–1000 °C arba aukštesnė temperatūra, kuri pažeistų pažangias grandines. Naujausi pasiekimai rodo, kad plonas...polikristalinis deimantasplėvelės (tik kelių mikrometrų storio) gali būti auginamosdaug žemesnė temperatūratinka gataviems įrenginiams.

Šiandieniniai aušintuvai ir jų apribojimai

Įprastas aušinimas daugiausia dėmesio skiria geresniems šilumos kriauklėms, ventiliatoriams ir sąsajos medžiagoms. Tyrėjai taip pat tyrinėja mikrofluidinį skysčių aušinimą, fazių kaitos medžiagas ir net serverių panardinimą į termiškai laidžius, elektrai izoliuojančius skysčius. Tai svarbūs žingsniai, tačiau jie gali būti sudėtingi, brangūs arba prastai pritaikyti kylančioms reikmėms.3D sukrautaslustų architektūros, kur keli silicio sluoksniai elgiasi kaip „dangoraižis“. Tokiuose sluoksniuose kiekvienas sluoksnis turi išskirti šilumą; kitaip karštieji taškai lieka viduje.

Kaip auginti įrenginiui pritaikytą deimantą

Monokristalinis deimantas pasižymi išskirtiniu šilumos laidumu (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, maždaug šešis kartus didesnis nei vario). Lengviau pagaminamos polikristalinės plėvelės gali pasiekti šias vertes, kai yra pakankamai storos, ir vis tiek yra pranašesnės už varį, net ir būdamos plonesnės. Tradicinis cheminis garų nusodinimas aukštoje temperatūroje reaguoja su metanu ir vandeniliu, sudarydamas vertikalias deimanto nanokolonėles, kurios vėliau susilieja į plėvelę; tuo metu sluoksnis tampa storas, įtemptas ir linkęs į trūkinėjimą.
Žemesnės temperatūros augimui reikalingas kitoks receptas. Tiesiog sumažinus kaitrą gaunami laidūs suodžiai, o ne izoliuojantis deimantas.deguonisnuolat ėsdina nedeimantinę anglies plėvelę, taip užtikrindamasstambiagrūdis polikristalinis deimantas esant ~400 °C temperatūrai, temperatūra, suderinama su pažangiomis integrinėmis grandinėmis. Taip pat svarbu, kad šiuo procesu galima padengti ne tik horizontalius paviršius, bet iršoninės sienos, o tai svarbu iš esmės 3D įrenginiams.

Šiluminė ribinė varža (TBR): fononų kliūtis

Šiluma kietose medžiagose pernešamafononai(kvantinės gardelės vibracijos). Medžiagų sąsajose fononai gali atsispindėti ir kauptis, sukurdamišiluminė ribinė varža (TBR)...kuri trukdo šilumos srautui. Sąsajų inžinerija siekia sumažinti TBR, tačiau pasirinkimus riboja puslaidininkių suderinamumas. Tam tikrose sąsajose susimaišymas gali sudaryti plonąsilicio karbidas (SiC)sluoksnis, kuris geriau atitinka fononų spektrus abiejose pusėse, veikdamas kaip „tiltas“ ir mažindamas TBR, taip pagerindamas šilumos perdavimą iš įrenginių į deimantą.

Bandomoji platforma: GaN HEMT (radijo dažnio tranzistoriai)

Didelio elektronų judrumo tranzistoriai (HEMT), pagrįsti galio nitrido valdymo srove 2D elektronų dujose, yra vertinami dėl aukšto dažnio, didelės galios veikimo (įskaitant X juostą ≈8–12 GHz ir W juostą ≈75–110 GHz). Kadangi šiluma generuojama labai arti paviršiaus, jie puikiai tinka bet kokiam in situ šilumos sklaidos sluoksniui tirti. Kai plonas deimantas apgaubia įtaisą, įskaitant šonines sieneles, kanalų temperatūra nukrenta~70 °C, gerokai pagerinus šiluminį viršutinį aukštį esant didelei galiai.

Deimantas CMOS ir 3D sluoksniuose

Pažangioje kompiuterijoje3D krovimaspadidina integravimo tankį ir našumą, tačiau sukuria vidines šilumines kliūtis ten, kur tradiciniai išoriniai aušintuvai yra mažiausiai veiksmingi. Deimanto integravimas su siliciu vėlgi gali duoti naudingąSiC tarpsluoksnis, gaunant aukštos kokybės šiluminę sąsają.
Viena iš siūlomų architektūrų yraterminiai pastoliainanometrų plonumo deimantiniai lakštai, įmontuoti virš tranzistorių dielektriko viduje, sujungtivertikalios šiluminės angos („šilumos stulpai“)pagaminta iš vario arba papildomo deimanto. Šie stulpai perduoda šilumą iš sluoksnio į sluoksnį, kol ji pasiekia išorinį aušintuvą. Modeliavimas su realiomis darbo krūviais rodo, kad tokios struktūros gali sumažinti maksimalią temperatūrąiki dydžio eilėskoncepcijos įrodymų rinkiniuose.

Kas lieka sunku

Pagrindiniai iššūkiai yra deimanto viršutinio paviršiaus gamybaatomiškai plokščiassklandžiam integravimui su viršutiniais sujungimais ir dielektrikais, bei tobulinimo procesams, kad plonos plėvelės išlaikytų puikų šilumos laidumą, neapkraudamos pagrindinės grandinės.

Perspektyva

Jei šie metodai ir toliau vystysis,deimanto šilumos plitimas lustojegalėtų gerokai sumažinti CMOS, RF ir galios elektronikos šilumines ribas, o tai užtikrintų didesnį našumą, didesnį patikimumą ir tankesnę 3D integraciją be įprastų šiluminių nuostolių.