Bakit umiinit ang mga modernong chips

Habang lumilipat ang mga nanoscale transistor sa bilis na gigahertz, ang mga electron ay dumadaloy sa mga circuit at nawawalan ng enerhiya bilang init—ang parehong init na nararamdaman mo kapag ang isang laptop o telepono ay umiinit nang hindi komportable. Ang paglalagay ng mas maraming transistor sa isang chip ay nag-iiwan ng mas kaunting espasyo para alisin ang init na iyon. Sa halip na kumalat nang pantay sa silicon, ang init ay naiipon sa mga hotspot na maaaring mas mainit nang sampu-sampung degrees kaysa sa mga nakapalibot na rehiyon. Upang maiwasan ang pinsala at pagkawala ng performance, hinihigpitan ng mga system ang mga CPU at GPU kapag tumaas ang temperatura.

Ang saklaw ng hamon sa init

Ang nagsimula bilang isang karera para sa pagpapaliit ay naging isang labanan sa init sa lahat ng elektroniko. Sa computing, ang performance ay patuloy na nagtutulak sa mas mataas na power density (ang mga indibidwal na server ay maaaring gumamit ng nasa sampu-sampung kilowatt). Sa komunikasyon, ang parehong digital at analog circuits ay nangangailangan ng mas mataas na transistor power para sa mas malakas na signal at mas mabilis na data. Sa power electronics, ang mas mahusay na kahusayan ay lalong nalilimitahan ng mga thermal constraints.

Isang kakaibang estratehiya: ikalat ang init sa loob ng maliit na tilad

Sa halip na hayaang mag-concentrate ang init, isang magandang ideya angpalabnawinito sa loob mismo ng chip—tulad ng pagbuhos ng isang tasa ng kumukulong tubig sa isang swimming pool. Kung ang init ay kumakalat kung saan ito nalilikha, ang pinakamainit na mga aparato ay mananatiling mas malamig at ang mga kumbensyonal na cooler (mga heat sink, bentilador, mga likidong loop) ay mas epektibo na gumagana. Nangangailangan ito ng isangmateryal na may mataas na thermal conductivity at electrical insulationisinama lamang ang mga nanometer mula sa mga aktibong transistor nang hindi naaapektuhan ang kanilang mga sensitibong katangian. Isang hindi inaasahang kandidato ang akma sa panukalang ito:diyamante.

Bakit diyamante?

Ang diyamante ay kabilang sa pinakamahusay na thermal conductor na kilala—ilang beses na mas mataas kaysa sa tanso—habang isa ring electrical insulator. Ang problema ay ang integrasyon: ang mga kumbensyonal na pamamaraan ng paglaki ay nangangailangan ng temperatura na nasa o higit sa 900–1000 °C, na maaaring makasira sa mga advanced na circuitry. Ipinapakita ng mga kamakailang pagsulong na ang manipis na...diyamanteng polikristalang mga pelikula (ilang micrometer lamang ang kapal) ay maaaring lumaki samas mababang temperaturaangkop para sa mga natapos na aparato.

Mga cooler ngayon at ang kanilang mga limitasyon

Ang mainstream cooling ay nakatuon sa mas mahusay na mga heat sink, fan, at mga materyales sa interface. Sinusuri rin ng mga mananaliksik ang microfluidic liquid cooling, mga materyales na nagbabago ng phase, at maging ang paglulubog ng mga server sa mga thermally conductive, electrically insulating liquid. Ito ay mahahalagang hakbang, ngunit maaari itong maging malaki, mahal, o hindi katugma sa mga umuusbong na teknolohiya.Naka-stack na 3Dmga arkitektura ng chip, kung saan maraming layer ng silicon ang kumikilos na parang isang "skyscraper." Sa ganitong mga stack, ang bawat layer ay dapat maglabas ng init; kung hindi, ang mga hotspot ay nakulong sa loob.

Paano magtanim ng diyamante na madaling gamitin sa mga aparatong pang-agrikultura

Ang single-crystal diamond ay may pambihirang thermal conductivity (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, mga anim na beses kaysa sa tanso). Ang mga polycrystalline film na mas madaling gawin ay maaaring umabot sa mga halagang ito kapag sapat ang kapal—at nakahihigit pa rin sa tanso kahit na mas manipis. Ang tradisyonal na kemikal na deposition ng singaw ay tumutugon sa methane at hydrogen sa mataas na temperatura, na bumubuo ng mga patayong nanocolumn ng brilyante na kalaunan ay nagsasama-sama sa isang pelikula; sa panahong iyon ang layer ay makapal na, stressed, at madaling mabitak.
Ang paglago sa mas mababang temperatura ay nangangailangan ng ibang paraan. Ang simpleng pagbaba ng init ay nagreresulta sa konduktibong uling sa halip na pag-insulate ng diyamante. Ipinakikilalaoksihenopatuloy na nag-uukit ng non-diamond carbon, na nagbibigay-daanmalaking-butil na polycrystalline diamond sa ~400 °C, isang temperaturang tugma sa mga advanced integrated circuit. Bukod pa rito, ang proseso ay hindi lamang kayang magpahid ng pahalang na mga ibabaw kundi pati na rinmga dingding sa gilid, na mahalaga para sa mga likas na 3D device.

Paglaban sa hangganan ng init (TBR): ang bottleneck ng phonon

Ang init sa mga solido ay dinadala ngmga phonon(mga quantized na vibrations ng lattice). Sa mga interface ng materyal, ang mga phonon ay maaaring mag-reflect at mag-ipon, na lumilikharesistensya sa hangganan ng init (TBR)na humahadlang sa daloy ng init. Nilalayon ng interface engineering na bawasan ang TBR, ngunit ang mga pagpipilian ay limitado ng compatibility ng semiconductor. Sa ilang mga interface, ang intermixing ay maaaring bumuo ng isang manipissilikon karbida (SiC)isang patong na mas tumutugma sa phonon spectra sa magkabilang panig, na nagsisilbing "tulay" at binabawasan ang TBR—sa gayon ay pinapabuti ang paglipat ng init mula sa mga aparato patungo sa diyamante.

Isang testbed: GaN HEMTs (radio-frequency transistors)

Ang mga high-electron-mobility transistor (HEMT) ay batay sa gallium nitride control current sa isang 2D electron gas at pinahahalagahan para sa high-frequency, high-power operation (kabilang ang X-band ≈8–12 GHz at W-band ≈75–110 GHz). Dahil ang init ay nalilikha malapit sa ibabaw, ang mga ito ay isang mahusay na probe ng anumang in-situ heat-spreading layer. Kapag ang manipis na diyamante ay bumabalot sa device—kabilang ang mga sidewall—naobserbahang bumababa ang temperatura ng channel.~70 °C, na may malaking pagpapabuti sa thermal headroom sa mataas na lakas.

Diamond sa CMOS at 3D stacks

Sa mas mataas na antas ng pagkukuwenta,3D stackingnagpapataas ng integration density at performance ngunit lumilikha ng internal thermal bottlenecks kung saan ang mga tradisyonal at external cooler ay hindi gaanong epektibo. Ang pagsasama ng diamond sa silicon ay maaaring muling magdulot ng kapaki-pakinabang na epekto.SiC interlayer, na nagbubunga ng mataas na kalidad na thermal interface.
Ang isang iminungkahing arkitektura ayplantsa ng init: mga nanometer-thin na diamond sheet na naka-embed sa ibabaw ng mga transistor sa loob ng dielectric, na konektado sa pamamagitan ngmga patayong thermal vias (“mga haligi ng init”)gawa sa tanso o karagdagang diyamante. Ang mga haliging ito ay nagpapasa ng init mula sa isang patong patungo sa isa pa hanggang sa makarating ito sa isang panlabas na cooler. Ipinapakita ng mga simulation na may makatotohanang mga workload na ang mga naturang istruktura ay maaaring magpababa ng pinakamataas na temperatura sa pamamagitan nghanggang sa isang order ng magnitudesa mga stack ng proof-of-concept.

Ano ang nananatiling mahirap

Kabilang sa mga pangunahing hamon ang paggawa ng pang-ibabaw na ibabaw ng diyamantepatag na atomikopara sa tuluy-tuloy na integrasyon sa mga nakapatong na interconnect at dielectric, at mga proseso ng pagpino upang mapanatili ng mga manipis na pelikula ang mahusay na thermal conductivity nang hindi binibigyang-diin ang pinagbabatayan na circuitry.

Pananaw

Kung magpapatuloy ang pag-unlad ng mga pamamaraang ito,pagkalat ng init sa loob ng chip na brilyantemaaaring lubos na magrelaks sa mga limitasyon sa init sa CMOS, RF, at power electronics—na nagbibigay-daan sa mas mataas na pagganap, higit na pagiging maaasahan, at mas siksik na integrasyon ng 3D nang walang karaniwang mga parusa sa init.