Защо съвременните чипове се прегряват

Тъй като наномащабните транзистори превключват с гигахерцова честота, електроните преминават през електрическите вериги и губят енергия под формата на топлина - същата топлина, която усещате, когато лаптоп или телефон се затопли неприятно. Повече транзистори, разположени върху чип, оставят по-малко място за отвеждане на тази топлина. Вместо да се разпределя равномерно през силиция, топлината се натрупва в горещи точки, които могат да бъдат с десетки градуси по-горещи от околните области. За да избегнат повреди и загуба на производителност, системите дроселират процесорите и графичните процесори, когато температурите се повишат рязко.

Обхватът на термичното предизвикателство

Това, което започна като надпревара за миниатюризация, се превърна в битка с топлината във всички електронни устройства. В компютърните технологии производителността продължава да повишава плътността на мощността (отделните сървъри могат да използват от порядъка на десетки киловати). В комуникациите, както цифровите, така и аналоговите схеми изискват по-висока транзисторна мощност за по-силни сигнали и по-бързи данни. В силовата електроника, по-добрата ефективност е все по-ограничена от топлинните ограничения.

Различна стратегия: разпределяне на топлината вътре в чипа

Вместо да се допуска концентриране на топлината, една обещаваща идея е да серазреждамто в самия чип – като да налеете чаша вряла вода в плувен басейн. Ако топлината се разпространява точно там, където се генерира, най-горещите устройства остават по-хладни и конвенционалните охладители (радиатори, вентилатори, течни контури) работят по-ефективно. Това изисквависоко топлопроводим, електроизолационен материалинтегрирали само нанометри от активни транзистори, без да нарушават деликатните им свойства. Неочакван кандидат отговаря на това изискване:диамант.

Защо диамант?

Диамантът е сред най-добрите известни топлопроводници – няколко пъти по-добър от медта – като същевременно е и електрически изолатор. Проблемът е в интеграцията: конвенционалните методи за растеж изискват температури около или над 900–1000 °C, което би могло да повреди усъвършенстваните електрически схеми. Последните постижения показват, че тънките...поликристален диамантфилми (с дебелина само няколко микрометра) могат да се отглеждат примного по-ниски температуриподходящ за готови устройства.

Днешните охладители и техните ограничения

Основното охлаждане се фокусира върху по-добри радиатори, вентилатори и интерфейсни материали. Изследователите също така изследват микрофлуидно течно охлаждане, материали с фазова промяна и дори потапяне на сървъри в топлопроводими, електроизолационни течности. Това са важни стъпки, но те могат да бъдат обемисти, скъпи или лошо съобразени с нововъзникващите технологии.3D-наслагванечип архитектури, където множество силициеви слоеве се държат като „небостъргач“. В такива стекове всеки слой трябва да отделя топлина; в противен случай горещите точки се задържат вътре.

Как да отглеждаме диамант, удобен за работа с устройства

Монокристалният диамант има изключителна топлопроводимост (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, около шест пъти по-висока от тази на медта). По-лесните за производство поликристални филми могат да достигнат тези стойности, когато са достатъчно дебели – и все още са по-добри от медните, дори когато са по-тънки. Традиционното химическо отлагане на пари реагира с метан и водород при висока температура, образувайки вертикални диамантени наноколони, които по-късно се сливат във филм; дотогава слоят е дебел, напрегнат и склонен към напукване.
Растежът при по-ниски температури изисква различна рецепта. Простото намаляване на топлината води до получаване на проводими сажди, а не на изолиращ диамант. Представяме викислороднепрекъснато ецва недиамантен въглерод, което позволяваедрозърнест поликристален диамант при ~400 °C, температура, съвместима с усъвършенствани интегрални схеми. Също толкова важно е, че процесът може да покрива не само хоризонтални повърхности, но истранични стени, което е от значение за по своята същност 3D устройствата.

Термично гранично съпротивление (TBR): фононното претоварване

Топлината в твърдите тела се пренася отфонони(квантовани вибрации на решетката). На материалните интерфейси фононите могат да се отразяват и натрупват, създавайкитермично гранично съпротивление (TBR)което възпрепятства топлинния поток. Инженерството на интерфейсите се стреми да намали TBR, но изборът е ограничен от съвместимостта на полупроводниците. При определени интерфейси смесването може да образува тънък слойсилициев карбид (SiC)слой, който по-добре съответства на фононните спектри от двете страни, действайки като „мост“ и намалявайки TBR – като по този начин подобрява топлопреноса от устройствата към диаманта.

Тестова платформа: GaN HEMT (радиочестотни транзистори)

Транзистори с висока мобилност на електроните (HEMT), базирани на галиев нитрид, контролират тока в 2D електронен газ и са ценени за високочестотна работа с висока мощност (включително X-лента ≈8–12 GHz и W-лента ≈75–110 GHz). Тъй като топлината се генерира много близо до повърхността, те са отличен източник на топлина за всеки in-situ слой. Когато тънък диамант капсулира устройството, включително страничните стени, е наблюдавано, че температурите на каналите спадат с...~70°C, със значителни подобрения в топлинния запас при висока мощност.

Диамант в CMOS и 3D стекове

В областта на напредналите изчисления,3D подрежданеувеличава плътността на интеграция и производителността, но създава вътрешни термични пречки, където традиционните външни охладители са най-малко ефективни. Интегрирането на диамант със силиций може отново да доведе до благоприятен ефект.SiC междинен слой, което води до висококачествен термичен интерфейс.
Една от предложените архитектури етермично скеленанометрово тънки диамантени листове, вградени над транзистори в диелектрика, свързани чрезвертикални термични отвори („топлинни стълбове“)изработени от мед или допълнителен диамант. Тези стълбове предават топлина от слой на слой, докато тя достигне външен охладител. Симулации с реалистични натоварвания показват, че такива структури могат да намалят пиковите температури чрездо порядъка на величинатав стекове за доказателство на концепцията.

Какво остава трудно

Основните предизвикателства включват изработването на горната повърхност на диамантаатомно плосъкза безпроблемна интеграция с горните взаимовръзки и диелектрици, както и процеси на рафиниране, така че тънките слоеве да поддържат отлична топлопроводимост, без да натоварват подлежащите електрически вериги.

Перспектива

Ако тези подходи продължат да се развиват,разпределение на топлината в диамантения чипби могло значително да облекчи топлинните ограничения в CMOS, RF и силовата електроника, позволявайки по-висока производителност, по-голяма надеждност и по-плътна 3D интеграция без обичайните топлинни последици.