Modern çipler neden ısınıyor?

Nanometre ölçekli transistörler gigahertz hızlarında anahtarlama yaparken, elektronlar devrelerden hızla geçer ve ısı olarak enerji kaybeder; bu, bir dizüstü bilgisayarın veya telefonun rahatsız edici derecede ısındığında hissettiğiniz ısıya benzer. Bir çipe daha fazla transistör yerleştirmek, bu ısıyı uzaklaştırmak için daha az alan bırakır. Isı, silikon boyunca eşit olarak yayılmak yerine, çevredeki bölgelerden onlarca derece daha sıcak olabilen sıcak noktalarda birikir. Hasarı ve performans kaybını önlemek için, sistemler sıcaklıklar yükseldiğinde CPU ve GPU'ları yavaşlatır.

Termal zorluğun kapsamı

Küçültme yarışı olarak başlayan süreç, tüm elektronik cihazlarda ısı mücadelesine dönüştü. Bilgisayar alanında, performans sürekli olarak güç yoğunluğunu artırıyor (bireysel sunucular onlarca kilovat güç tüketebiliyor). İletişimde, hem dijital hem de analog devreler, daha güçlü sinyaller ve daha hızlı veri için daha yüksek transistör gücü gerektiriyor. Güç elektroniğinde ise, daha iyi verimlilik giderek artan bir şekilde termal kısıtlamalarla sınırlanıyor.

Farklı bir strateji: Isıyı çipin içine yaymak.

Isının yoğunlaşmasına izin vermek yerine, umut vadeden bir fikir şudur:seyreltikIsıyı doğrudan çipin içine dağıtmak gerekir; tıpkı bir havuza kaynar su dökmek gibi. Isı üretildiği yere dağıtılırsa, en sıcak cihazlar daha serin kalır ve geleneksel soğutucular (ısı emiciler, fanlar, sıvı döngüleri) daha etkili çalışır. Bu da biryüksek ısı iletkenliğine sahip, elektriksel olarak yalıtkan malzemeAktif transistörlerin hassas özelliklerini bozmadan, onlardan sadece nanometreler uzaklıkta entegre edilmiş bir yapı. Beklenmedik bir aday bu tanıma uyuyor:elmas.

Neden elmas?

Elmas, bilinen en iyi ısı iletkenlerinden biridir (bakırdan birkaç kat daha iyi) ve aynı zamanda elektriksel olarak da yalıtkandır. Sorun entegrasyondadır: Geleneksel üretim yöntemleri, 900-1000 °C civarında veya üzerinde sıcaklıklar gerektirir ki bu da gelişmiş devreleri hasara uğratabilir. Son gelişmeler, ince elmasın bu sorunu çözebileceğini göstermektedir.polikristalin elmas(Sadece birkaç mikrometre kalınlığında) filmler şu şekilde büyütülebilir:çok daha düşük sıcaklıklarHazır cihazlar için uygundur.

Günümüz soğutucuları ve sınırlamaları

Ana akım soğutma, daha iyi ısı emiciler, fanlar ve arayüz malzemelerine odaklanmaktadır. Araştırmacılar ayrıca mikroakışkan sıvı soğutma, faz değişim malzemeleri ve hatta sunucuları termal olarak iletken, elektriksel olarak yalıtkan sıvılara daldırmayı da araştırıyorlar. Bunlar önemli adımlar, ancak hantal, pahalı veya gelişmekte olan teknolojilere pek uygun olmayabilirler.3 boyutlu yığılmışÇip mimarilerinde, birden fazla silikon katmanı "gökdelen" gibi davranır. Bu tür katmanlarda, her katmanın ısıyı dağıtması gerekir; aksi takdirde içeride sıcak noktalar hapsolur.

Cihaz dostu elmas nasıl yetiştirilir?

Tek kristalli elmas olağanüstü termal iletkenliğe sahiptir (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, bakırınkinin yaklaşık altı katı). Daha kolay üretilen çok kristalli filmler, yeterince kalın olduklarında bu değerlere yaklaşabilir ve daha ince olduklarında bile bakırdan daha üstündür. Geleneksel kimyasal buhar biriktirme yöntemi, metan ve hidrojeni yüksek sıcaklıkta reaksiyona sokarak daha sonra bir film halinde birleşen dikey elmas nanokolonları oluşturur; bu aşamada katman kalınlaşır, gerilir ve çatlamaya eğilimli hale gelir.
Daha düşük sıcaklıkta büyüme farklı bir formül gerektirir. Isıyı düşürmek, yalıtkan elmas yerine iletken kurum üretir. İşte burada devreye giren bir yöntem:oksijenElmas olmayan karbonu sürekli olarak aşındırarak,~400 °C'de iri taneli polikristalin elmasGelişmiş entegre devrelerle uyumlu bir sıcaklıkta çalışır. Daha da önemlisi, bu işlem sadece yatay yüzeyleri değil, aynı zamandayan duvarlarBu durum, doğası gereği 3 boyutlu cihazlar için önemlidir.

Termal sınır direnci (TBR): fonon darboğazı

Katılardaki ısı, şu yollarla taşınır:fononlar(Kuantize edilmiş kafes titreşimleri). Malzeme arayüzlerinde, fononlar yansıyabilir ve birikerek oluşturabilir.termal sınır direnci (TBR)Bu durum ısı akışını engeller. Arayüz mühendisliği TBR'yi düşürmeyi amaçlar, ancak seçenekler yarı iletken uyumluluğuyla sınırlıdır. Bazı arayüzlerde, karışım ince bir tabaka oluşturabilir.silisyum karbür (SiC)Her iki taraftaki fonon spektrumlarıyla daha iyi eşleşen, bir "köprü" görevi gören ve TBR'yi azaltan bir katman; böylece cihazlardan elmasa ısı transferini iyileştirir.

Bir test düzeneği: GaN HEMT'ler (radyo frekanslı transistörler)

Galyum nitrür bazlı yüksek elektron hareketliliğine sahip transistörler (HEMT'ler), 2 boyutlu bir elektron gazındaki akımı kontrol eder ve yüksek frekanslı, yüksek güçlü çalışma (X bandı ≈8–12 GHz ve W bandı ≈75–110 GHz dahil) için değerlidir. Isı yüzeye çok yakın bir yerde üretildiği için, yerinde ısı yayma katmanlarının mükemmel bir göstergesidirler. İnce elmas, cihazı (yan duvarlar dahil) kapladığında, kanal sıcaklıklarının düştüğü gözlemlenmiştir.~70 °CYüksek güçte termal toleransta önemli iyileştirmeler sağlanmıştır.

CMOS ve 3D katmanlarında elmas

Gelişmiş bilişim alanında,3B istiflemeEntegrasyon yoğunluğunu ve performansını artırır ancak geleneksel, harici soğutucuların en az etkili olduğu dahili termal darboğazlar yaratır. Elmasın silikonla entegrasyonu yine faydalı sonuçlar doğurabilir.SiC ara katmanıBu da yüksek kaliteli bir termal arayüz elde edilmesini sağlar.
Önerilen mimarilerden biri şudur:termal iskele: Dielektrik malzeme içindeki transistörlerin üzerine yerleştirilmiş, nanometre inceliğinde elmas levhalar, şu şekilde bağlanmıştır:dikey termal kanallar (“ısı sütunları”)Bakır veya ilave elmas kullanılarak üretilen bu sütunlar, ısıyı katmanlar arasında ileterek harici bir soğutucuya ulaşmasını sağlar. Gerçekçi iş yükleriyle yapılan simülasyonlar, bu tür yapıların en yüksek sıcaklıkları azaltabileceğini göstermektedir.bir büyüklük mertebesine kadarKavram kanıtı yığınlarında.

Hâlâ zor olan şey nedir?

Başlıca zorluklar arasında elmasın üst yüzeyinin oluşturulması yer almaktadır.atomik olarak düzÜstteki ara bağlantılar ve dielektriklerle kusursuz entegrasyon için ve ince filmlerin alttaki devreleri zorlamadan mükemmel termal iletkenliği koruması için süreçlerin iyileştirilmesi.

Görünüm

Bu yaklaşımlar olgunlaşmaya devam ederse,çip içi elmas ısı yayılımıBu, CMOS, RF ve güç elektroniğinde termal sınırları önemli ölçüde gevşetebilir; böylece alışılagelmiş termal dezavantajlar olmadan daha yüksek performans, daha fazla güvenilirlik ve daha yoğun 3D entegrasyon sağlanabilir.