Miksi nykyaikaiset sirut kuumenevat

Kun nanomittakaavan transistorit kytkeytyvät gigahertsin nopeudella, elektronit syöksyvät piirien läpi ja menettävät energiaa lämpönä – samaa lämpöä, jonka tunnet kannettavan tietokoneen tai puhelimen lämmetessä epämukavasti. Useamman transistoreiden pakkaaminen sirulle jättää vähemmän tilaa lämmön poistamiseen. Sen sijaan, että lämpö leviäisi tasaisesti piin läpi, se kerääntyy kuumille alueille, jotka voivat olla kymmeniä asteita kuumempia kuin ympäröivät alueet. Vaurioiden ja suorituskyvyn heikkenemisen välttämiseksi järjestelmät rajoittavat suorittimien ja näytönohjainten toimintaa lämpötilan noustessa.

Lämpöhaasteen laajuus

Se, mikä alkoi kilpajuoksuna miniatyrisoinnin vauhdittamiseksi, on muuttunut taisteluksi lämmön kanssa kaikessa elektroniikassa. Tietotekniikassa suorituskyky nostaa jatkuvasti tehotiheyttä (yksittäiset palvelimet voivat kuluttaa kymmeniä kilowatteja). Tietoliikenteessä sekä digitaaliset että analogiset piirit vaativat suurempaa transistoritehoa vahvempien signaalien ja nopeamman tiedonsiirron saavuttamiseksi. Tehoelektroniikassa parempaa hyötysuhdetta rajoittavat yhä enemmän lämpötilarajoitukset.

Erilainen strategia: levittää lämpöä sirun sisällä

Sen sijaan, että lämpö keskittyisi, lupaava ajatus onlaimennettusen sirun sisällä – kuin kaataisi kupillinen kiehuvaa vettä uima-altaaseen. Jos lämpö leviää suoraan sinne, missä sitä syntyy, kuumimmat laitteet pysyvät viileämpinä ja perinteiset jäähdyttimet (jäähdytyselementit, tuulettimet, nestekiertot) toimivat tehokkaammin. Tämä vaatiikorkea lämmönjohtavuus, sähköä eristävä materiaaliintegroitu vain nanometrejä aktiivisista transistoreista häiritsemättä niiden herkkiä ominaisuuksia. Odottamaton ehdokas sopii tähän tarkoitukseen:timantti.

Miksi timantti?

Timantti on yksi parhaista tunnetuista lämmönjohteista – useita kertoja kuparia parempi – ja samalla sähköeriste. Haittapuolena on integrointi: perinteiset kasvatusmenetelmät vaativat noin 900–1000 °C:n tai sitä korkeampia lämpötiloja, mikä vahingoittaisi kehittyneitä piirejä. Viimeaikaiset edistysaskeleet osoittavat, että ohuetpolykiteinen timanttikalvoja (vain muutaman mikrometrin paksuisia) voidaan kasvattaapaljon alhaisemmat lämpötilatsopii valmiille laitteille.

Nykypäivän jäähdyttimet ja niiden rajoitukset

Valtavirran jäähdytys keskittyy parempiin jäähdytyselementteihin, tuulettimiin ja rajapintamateriaaleihin. Tutkijat tutkivat myös mikrofluidista nestejäähdytystä, faasimuutosmateriaaleja ja jopa palvelimien upottamista lämpöä johtaviin, sähköä eristäviin nesteisiin. Nämä ovat tärkeitä vaiheita, mutta ne voivat olla kömpelöitä, kalliita tai huonosti yhteensopivia uusien tarpeiden kanssa.3D-pinottusiruarkkitehtuureissa, joissa useat piikerrokset käyttäytyvät kuin "pilvenpiirtäjä". Tällaisissa pinoissa jokaisen kerroksen on luovutettava lämpöä; muuten kuumat pisteet jäävät loukkuun sisälle.

Kuinka kasvattaa laiteystävällistä timanttia

Yksikiteisellä timantilla on erinomainen lämmönjohtavuus (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, noin kuusi kertaa kuparin lämmönjohtavuus). Helpommin valmistettavat polykiteiset kalvot voivat lähestyä näitä arvoja riittävän paksuina – ja ne ovat edelleen kuparia parempia, vaikka ne olisivat ohuempia. Perinteinen kemiallinen höyrypinnoitus reagoi metaanin ja vedyn kanssa korkeassa lämpötilassa muodostaen pystysuoria timantin nanokolonneja, jotka myöhemmin yhdistyvät kalvoksi; tällöin kerros on paksu, jännittynyt ja altis halkeilulle.
Alhaisemman lämpötilan kasvu vaatii erilaisen reseptin. Pelkkä lämmön vähentäminen tuottaa johtavaa nokea eristävän timantin sijaan.happisyövyttää jatkuvasti muuta kuin timanttihiiltä, ​​mikä mahdollistaasuurirakeinen polykiteinen timantti ~400 °C:ssa, lämpötila, joka on yhteensopiva edistyneiden integroitujen piirien kanssa. Yhtä tärkeää on, että prosessilla voidaan pinnoittaa paitsi vaakasuoria pintoja myössivuseinät, mikä on tärkeää luonnostaan ​​3D-laitteille.

Lämpörajavastus (TBR): fononipullonkaula

Kiinteissä aineissa lämpö kulkeutuufononit(kvantisoidut hilavärähtelyt). Materiaalien rajapinnoissa fononit voivat heijastua ja kasaantua, mikä luoterminen rajaresistanssi (TBR)joka estää lämmön virtausta. Rajapintojen suunnittelussa pyritään alentamaan TBR:ää, mutta puolijohteiden yhteensopivuus rajoittaa vaihtoehtoja. Tietyillä rajapinnoilla sekoittuminen voi muodostaa ohuenpiikarbidi (SiC)kerros, joka paremmin vastaa fononispektrejä molemmilla puolilla, toimii "siltana" ja vähentää TBR:ää – parantaen siten lämmönsiirtoa laitteista timanttiin.

Testialusta: GaN HEMT-transistorit (radiotaajuustransistorit)

Korkean elektroniliikkuvuuden transistorit (HEMT) perustuvat galliumnitridin ohjausvirtaan 2D-elektronikaasussa ja ovat arvostettuja korkeataajuisen ja suuren tehon toiminnan ansiosta (mukaan lukien X-kaista ≈8–12 GHz ja W-kaista ≈75–110 GHz). Koska lämpöä syntyy hyvin lähellä pintaa, ne ovat erinomainen luotain mihin tahansa in situ -lämmönlevityskerrokseen. Kun ohut timantti kapseloi laitteen – sivuseinät mukaan lukien – kanavien lämpötilojen on havaittu laskevan~70 °C, ja lämpötilojen vaihteluväli on huomattavasti parempi suurilla tehoilla.

Timantti CMOS- ja 3D-pinoissa

Edistyneessä laskennassa3D-pinoaminenlisää integrointitiheyttä ja suorituskykyä, mutta luo sisäisiä lämpöpullonkauloja paikoissa, joissa perinteiset ulkoiset jäähdyttimet ovat vähiten tehokkaita. Timantin ja piin integrointi voi jälleen tuottaa hyödyllisenpiikarbidivälikerros, jolloin saadaan korkealaatuinen lämpörajapinta.
Yksi ehdotettu arkkitehtuuri onlämpöteline: nanometrin ohuita timanttilevyjä, jotka on upotettu transistoreiden yläpuolelle dielektriseen kerrokseen ja yhdistetty toisiinsapystysuuntaiset lämpöläpiviennit (”lämpöpilarit”)valmistettu kuparista tai lisätimantista. Nämä pilarit siirtävät lämpöä kerroksesta kerrokseen, kunnes se saavuttaa ulkoisen jäähdyttimen. Simulaatiot realistisilla työkuormilla osoittavat, että tällaiset rakenteet voivat alentaa huippulämpötilojajopa suuruusluokkaakonseptitodistuspinoissa.

Mikä on edelleen vaikeaa

Keskeisiin haasteisiin kuuluu timantin pintapinnan valmistaminenatomaarisesti tasainensaumatonta integrointia varten päällekkäisten yhteenliitäntöjen ja dielektristen materiaalien kanssa sekä prosessien jalostamista varten, jotta ohuet kalvot säilyttävät erinomaisen lämmönjohtavuuden rasittamatta alla olevia piirejä.

Näkymät

Jos nämä lähestymistavat kehittyvät edelleen,sirun sisäinen timantin lämmön leviäminenvoisi merkittävästi löysätä CMOS-, RF- ja tehoelektroniikan lämpörajoja, mikä mahdollistaisi paremman suorituskyvyn, suuremman luotettavuuden ja tiheämmän 3D-integraation ilman tavanomaisia ​​lämpörangaistuksia.