Miért melegszenek fel a modern chipek?

Ahogy a nanoskálájú tranzisztorok gigahertzes sebességgel kapcsolnak, az elektronok áthaladnak az áramkörökön, és hő formájában energiát veszítenek – ugyanazt a hőt, amit akkor érzünk, amikor egy laptop vagy telefon kellemetlenül felmelegszik. Több tranzisztor egy chipre való tömörítése kevesebb helyet biztosít a hő elvezetésére. Ahelyett, hogy egyenletesen oszlana el a szilíciumon, a hő forró pontokban halmozódik fel, amelyek több tíz fokkal melegebbek lehetnek, mint a környező területek. A károsodás és a teljesítményveszteség elkerülése érdekében a rendszerek szabályozzák a CPU-k és GPU-k működését, amikor a hőmérséklet megugrik.

A termikus kihívás mértéke

Ami a miniatürizálásért folytatott versenyként indult, az az elektronika minden területén a hővel vívott küzdelemmé vált. A számítástechnikában a teljesítmény folyamatosan növeli a teljesítménysűrűséget (az egyes szerverek akár több tíz kilowatt nagyságrendű teljesítményt is fogyaszthatnak). A kommunikációban mind a digitális, mind az analóg áramkörök nagyobb tranzisztorteljesítményt igényelnek az erősebb jelek és a gyorsabb adatátvitel érdekében. A teljesítményelektronikában a jobb hatékonyságot egyre inkább korlátozzák a hőmérsékleti korlátok.

Egy másik stratégia: a hő elosztása a chipen belül

A hő koncentrálódásának hagyása helyett ígéretes ötlet az, hogyhígítottmagában a chipen belül – mintha egy csésze forrásban lévő vizet öntenénk egy úszómedencébe. Ha a hő ott oszlik el, ahol keletkezik, a legforróbb eszközök hűvösebbek maradnak, és a hagyományos hűtők (hűtőbordák, ventilátorok, folyadékhurok) hatékonyabban működnek. Ehhez egynagy hővezető képességű, elektromosan szigetelő anyagmindössze nanométereket integrált aktív tranzisztorokból anélkül, hogy megzavarta volna azok érzékeny tulajdonságait. Egy váratlan jelölt illik ehhez a listához:gyémánt.

Miért pont a gyémánt?

A gyémánt az egyik legjobb ismert hővezető – többszörösen jobb hővezető képességű, mint a réz –, miközben elektromos szigetelő is. A bökkenő az integrációban rejlik: a hagyományos növekedési módszerek 900–1000 °C körüli vagy annál magasabb hőmérsékletet igényelnek, ami károsítaná a fejlett áramköröket. A legújabb fejlesztések azt mutatják, hogy a vékony...polikristályos gyémántfilmek (mindössze néhány mikrométer vastagok) növeszthetőksokkal alacsonyabb hőmérsékletkész eszközökhöz alkalmas.

A mai hűtők és korlátaik

A mainstream hűtés a jobb hűtőbordákra, ventilátorokra és interfészanyagokra összpontosít. A kutatók a mikrofluidikus folyadékhűtést, a fázisváltó anyagokat, sőt a szerverek hővezető, elektromosan szigetelő folyadékokba merítését is vizsgálják. Ezek fontos lépések, de terjedelmesek, drágák lehetnek, vagy rosszul illeszkedhetnek a felmerülő igényekhez.3D-s halmozottchiparchitektúrák, ahol több szilíciumréteg „felhőkarcolóként” viselkedik. Az ilyen rétegekben minden rétegnek le kell adnia a hőt; különben a forró pontok csapdába esnek.

Hogyan termeszthetünk eszközbarát gyémántot

Az egykristályos gyémánt rendkívüli hővezető képességgel rendelkezik (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, ami körülbelül hatszorosa a rézékének). A könnyebben előállítható polikristályos filmek kellően vastagon megközelíthetik ezeket az értékeket – és még vékonyabb esetben is jobbak a réznél. A hagyományos kémiai gőzfázisú leválasztás magas hőmérsékleten metánt és hidrogént reagáltat, függőleges gyémánt nanooszlopokat képezve, amelyek később filmmé egyesülnek; ekkorra a réteg vastag, feszültség alatt áll és hajlamos a repedésekre.
Az alacsonyabb hőmérsékletű növekedés más receptet igényel. A hőmérséklet egyszerű csökkentése vezetőképes koromot eredményez szigetelő gyémánt helyett. Bemutatkozik.oxigénfolyamatosan marja a nem gyémánt szenet, lehetővé tévenagyszemcsés polikristályos gyémánt ~400 °C-on, a fejlett integrált áramkörökkel kompatibilis hőmérséklet. Ugyanilyen fontos, hogy az eljárás nemcsak vízszintes felületekre, hanemoldalfalak, ami az eredendően 3D-s eszközök esetében fontos.

Termikus határellenállás (TBR): a fonon szűk keresztmetszet

A szilárd anyagokban a hőt afononok(kvantált rácsrezgések). Az anyagi határfelületeken a fononok visszaverődhetnek és felhalmozódhatnak, létrehozvatermikus határellenállás (TBR)ami akadályozza a hőáramlást. Az interfésztervezés célja a TBR csökkentése, de a választási lehetőségeket a félvezetők kompatibilitása korlátozza. Bizonyos interfészeken az összekeveredés vékony réteget képezhetszilícium-karbid (SiC)egy olyan réteg, amely jobban illeszkedik a fononspektrumokhoz mindkét oldalon, „hídként” működik és csökkenti a TBR-t – ezáltal javítja a hőátadást az eszközökből a gyémántba.

Tesztkörnyezet: GaN HEMT-ek (rádiófrekvenciás tranzisztorok)

A gallium-nitrid vezérlőáramon alapuló nagy elektronmobilitású tranzisztorok (HEMT-ek) egy 2D elektrongázban nagyfrekvenciás, nagy teljesítményű működésükért kedveltek (beleértve az X-sávot ≈8–12 GHz-en és a W-sávot ≈75–110 GHz-en). Mivel a hő a felület közelében keletkezik, kiválóan alkalmasak bármilyen in situ hőterjesztő réteg vizsgálatára. Amikor egy vékony gyémánt beburkolja az eszközt – beleértve az oldalfalakat is –, a csatornahőmérsékletek csökkenését figyelték meg~70 °C, jelentős javulással a hőtartás terén nagy teljesítményen.

Gyémánt CMOS-ban és 3D-s halmokban

A fejlett számítástechnikában3D egymásra rakásnöveli az integrációs sűrűséget és a teljesítményt, de belső termikus szűk keresztmetszeteket hoz létre ott, ahol a hagyományos, külső hűtők a legkevésbé hatékonyak. A gyémánt és a szilícium integrálása ismét előnyös eredményt hozhat.SiC közbenső réteg, ami kiváló minőségű termikus interfészt eredményez.
Az egyik javasolt architektúra egyhőálló állványzat: nanométer vékonyságú gyémántlemezek, amelyek a dielektrikumban lévő tranzisztorok fölé vannak beágyazva, és amelyeketfüggőleges hővezető nyílások („hőoszlopok”)rézből vagy további gyémántból készülnek. Ezek az oszlopok rétegről rétegre vezetik a hőt, amíg el nem éri a külső hűtőt. A valósághű terhelésekkel végzett szimulációk azt mutatják, hogy az ilyen szerkezetek csökkenthetik a csúcshőmérsékleteket azáltal, hogyakár egy nagyságrendigkoncepcióbizonyítási kötegekben.

Ami továbbra is nehéz

A főbb kihívások közé tartozik a gyémánt felső felületének elkészítéseatomosan laposa felette lévő összeköttetésekkel és dielektrikumokkal való zökkenőmentes integrációhoz, valamint a finomítási folyamatokhoz, hogy a vékony filmek kiváló hővezető képességet biztosítsanak anélkül, hogy az alatta lévő áramkört megterhelnék.

Kilátások

Ha ezek a megközelítések tovább fejlődnek,forgácson belüli gyémánt hőterjedésjelentősen enyhíthetné a CMOS, az RF és a teljesítményelektronika hőmérsékleti korlátait, ami nagyobb teljesítményt, nagyobb megbízhatóságot és sűrűbb 3D integrációt tesz lehetővé a szokásos hőmérsékleti büntetések nélkül.