Эмне үчүн заманбап чиптер ысып кетет

Наномасштабдуу транзисторлор гигагерц жыштыгында которулганда, электрондор чынжыр аркылуу өтүп, жылуулук катары энергиясын жоготот — ноутбук же телефон ыңгайсыз ысып кеткенде сезген жылуулук менен бирдей. Чипке көбүрөөк транзисторлорду орнотуу ал жылуулукту кетирүүгө аз орун калтырат. Кремний аркылуу бирдей тарагандын ордуна, жылуулук айланадагы аймактарга караганда ондогон градус ысык болушу мүмкүн болгон ысык чекиттерге топтолот. Бузулуунун жана иштин начарлашынын алдын алуу үчүн, системалар температура кескин көтөрүлгөндө CPU жана GPU'ларды тындырат.

Термикалык кыйынчылыктын көлөмү

Миниатюралаштыруу жарышы катары башталган нерсе бардык электроникадагы жылуулук менен болгон күрөшкө айланды. Эсептөөдө өндүрүмдүүлүк кубаттуулуктун тыгыздыгын жогорулатат (жеке серверлер ондогон киловатттарды колдоно алышат). Байланышта санариптик жана аналогдук схемалар күчтүү сигналдар жана ылдамыраак маалыматтар үчүн жогорку транзистордук кубаттуулукту талап кылат. Электрдик электроникада жакшыраак натыйжалуулук жылуулук чектөөлөрү менен барган сайын чектелип баратат.

Башка стратегия: жылуулукту чиптин ичине жайыңыз

Жылуулуктун топтолушуна жол берүүнүн ордуна, келечектүү идея болуп саналатсуюлтууал чиптин ичинде — бассейнге бир чыны кайнак суу куюу сыяктуу. Эгерде жылуулук пайда болгон жерге тараса, эң ысык түзмөктөр муздак бойдон калат жана кадимки муздаткычтар (жылуулук раковиналары, желдеткичтер, суюк циклдер) натыйжалуураак иштейт. Бул талап кылатжогорку жылуулук өткөрүмдүүлүгү бар, электр изоляциялоочу материалактивдүү транзисторлордун назик касиеттерин бузбастан, алардын нанометрлерин гана интеграциялаган. Күтүлбөгөн талапкер бул талапка жооп берет:алмаз.

Эмнеге алмаз?

Алмаз белгилүү болгон эң мыкты жылуулук өткөргүчтөрдүн бири болуп саналат — жезден бир нече эсе жогору — ошол эле учурда электр изолятору болуп саналат. Кептин баары интеграцияда: кадимки өстүрүү ыкмалары 900–1000 °C тегерегинде же андан жогору температураны талап кылат, бул өнүккөн схемаларга зыян келтирет. Акыркы жетишкендиктер жука экенин көрсөтүп туратполикристаллдык алмазпленкаларды (калыңдыгы бир нече микрометр гана) өстүрүүгө болотбир топ төмөн температураларбүткөрүлгөн түзмөктөр үчүн ылайыктуу.

Бүгүнкү күндөгү муздаткычтар жана алардын мүмкүнчүлүктөрү

Негизги муздатуу жакшыраак жылуулук раковиналарына, желдеткичтерге жана интерфейс материалдарына багытталган. Изилдөөчүлөр ошондой эле микрофлюиддик суюктук менен муздатууну, фазаны өзгөртүүчү материалдарды жана ал тургай серверлерди жылуулук өткөрүүчү, электр изоляциялоочу суюктуктарга чөмүлдүрүүнү изилдешет. Булар маанилүү кадамдар, бирок алар көлөмдүү, кымбат же жаңыдан пайда болуп жаткан технологияларга туура келбеши мүмкүн.3D-үймөктөлгөнчип архитектуралары, мында бир нече кремний катмарлары "асман тиреген имарат" сыяктуу иштейт. Мындай стектерде ар бир катмар жылуулукту чыгарышы керек; болбосо ысык чекиттер ичинде камалып калат.

Түзмөккө ыңгайлуу алмазды кантип өстүрүү керек

Монокристалл алмаз өзгөчө жылуулук өткөрүмдүүлүгүнө ээ (≈2200–2400 Вт м⁻¹ К⁻¹, жезге караганда алты эсе көп). Жасалышы оңой поликристалл пленкалар жетиштүү калың болгондо бул маанилерге жакындай алат жана жука болгондо да жезден жогору турат. Салттуу химиялык буу менен чөктүрүү метан менен суутекти жогорку температурада реакцияга киргизип, кийинчерээк пленкага биригип кетүүчү вертикалдуу алмаз наноколомдорун түзөт; ошол учурда катмар калың, чыңалган жана жарака кетүүгө жакын болот.
Төмөнкү температурада өсүү башкача рецептти талап кылат. Жөн гана жылуулукту төмөндөтүү жылуулоочу алмаздын ордуна өткөргүч күйөөнү пайда кылат. Киришүүкычкылтекалмаз эмес көмүртекти тынымсыз оюп, мүмкүндүк берет~400 °C температурадагы ири дандуу поликристаллдык алмаз, өнүккөн интегралдык микросхемалар менен шайкеш келген температура. Ошондой эле маанилүүсү, процесс горизонталдуу беттерди гана эмес, ошондой эле каптай алаткаптал дубалдар, бул табиятынан 3D түзмөктөр үчүн маанилүү.

Жылуулук чек арасынын каршылыгы (ЖЧК): фонондук бөгөт

Катуу заттардагы жылуулук төмөнкү аркылуу өткөрүлөтфонондор(квантталган торчо термелүүлөрү). Материалдык интерфейстерде фонондор чагылышып, үйүлүп, пайда болушу мүмкүнжылуулук чек ара каршылыгы (TBR)жылуулук агымына тоскоол болот. Интерфейс инженериясы жылуулукту азайтууга умтулат, бирок тандоолор жарым өткөргүчтөрдүн шайкештиги менен чектелет. Айрым интерфейстерде аралашуу жука катмарды пайда кылышы мүмкүнкремний карбиди (SiC)эки тараптан тең фонондук спектрлерге жакшыраак дал келген, "көпүрө" катары кызмат кылган жана TBRди азайткан катмар - ошону менен түзмөктөрдөн алмазга жылуулуктун өткөрүлүшүн жакшыртат.

Сыноочу платформа: GaN HEMTs (радиожыштык транзисторлору)

2D электрондук газдагы галлий нитридин башкаруу тогуна негизделген жана жогорку жыштыктагы, жогорку кубаттуулуктагы иштөөсү үчүн баалуу (X-диапазону ≈8–12 ГГц жана W-диапазону ≈75–110 ГГц кошо алганда). Жылуулук бетке абдан жакын жерде пайда болгондуктан, алар кандайдыр бир in-situ жылуулук таратуучу катмарды эң сонун зонд болуп саналат. Жука алмаз түзмөктү, анын ичинде каптал дубалдарды каптаганда, каналдын температурасы төмөндөгөнү байкалган.~70 °C, жогорку кубаттуулукта жылуулук көлөмүн бир топ жакшыртуу менен.

CMOS жана 3D стектериндеги алмаз

Өркүндөтүлгөн эсептөөлөрдө,3D үстөктөөинтеграция тыгыздыгын жана өндүрүмдүүлүгүн жогорулатат, бирок салттуу, тышкы муздаткычтар эң аз эффективдүү болгон ички жылуулук тоскоолдуктарын жаратат. Алмазды кремний менен интеграциялоо кайрадан пайдалуу натыйжа бере алат.SiC катмары, жогорку сапаттагы жылуулук интерфейсин берет.
Сунушталган архитектуранын бири - булжылуулук каркасыдиэлектриктин ичиндеги транзисторлордун үстүнө орнотулган нанометрдик жука алмаз барактары, алар менен туташтырылганвертикалдуу жылуулук өткөргүчтөрү ("жылуулук мамылары")жезден же кошумча алмаздан жасалган. Бул мамылар жылуулукту катмардан катмарга тышкы муздаткычка жеткенге чейин өткөрүп турат. Реалдуу жумуш жүктөмдөрү бар симуляциялар мындай конструкциялардын эң жогорку температураны төмөндөтө аларын көрсөтүп туратбелгилүү бир өлчөмдөгү тартипке чейинконцепциянын далилдөө стектеринде.

Эмне кыйын бойдон калууда

Негизги кыйынчылыктарга алмаздын үстүнкү бетин жасоо киретатомдук жалпакүстүнкү өз ара туташтыргычтар жана диэлектриктер менен үзгүлтүксүз интеграциялоо жана жука пленкалар негизги схемага күч келтирбестен эң сонун жылуулук өткөрүмдүүлүгүн сактоо үчүн тазалоо процесстери үчүн.

Перспектива

Эгерде бул ыкмалар өнүгө берсе,чиптин ичиндеги алмаз жылуулуктун жайылышыCMOS, RF жана кубат электроникасындагы жылуулук чектөөлөрүн бир топ жеңилдете алат — бул кадимки жылуулук айыптарысыз жогорку өндүрүмдүүлүккө, жогорку ишенимдүүлүккө жана тыгызыраак 3D интеграциясына мүмкүндүк берет.