Wêrom moderne chips hjit wurde

As nanoskaaltransistors mei gigahertz-snelheden wikselje, raze elektroanen troch circuits en ferlieze enerzjy as waarmte - deselde waarmte dy't jo fiele as in laptop of tillefoan ûngemaklik waarm wurdt. It ynpakken fan mear transistors op in chip lit minder romte oer om dy waarmte ôf te fieren. Ynstee fan evenredich te fersprieden troch silisium, sammelet waarmte him op yn hotspots dy't tsientallen graden waarmer kinne wêze as omlizzende regio's. Om skea en prestaasjesferlies te foarkommen, beheine systemen CPU's en GPU's as temperatueren pieken.

De omfang fan 'e termyske útdaging

Wat begûn as in race om te miniaturisearjen is in striid wurden mei waarmte yn alle elektroanika. Yn kompjûters bliuwt prestaasjes de krêfttichtens heger driuwe (yndividuele servers kinne yn 'e oarder fan tsientallen kilowatt brûke). Yn kommunikaasje freegje sawol digitale as analoge circuits hegere transistorkrêft foar sterkere sinjalen en rapper gegevens. Yn krêftelektronika wurdt bettere effisjinsje hieltyd beheind troch termyske beheiningen.

In oare strategy: waarmte ferspriede yn 'e chip

Ynstee fan waarmte te konsintrearjen, is in beloftefol idee omverdunneit yn 'e chip sels - lykas it jitten fan in beker siedend wetter yn in swimbad. As waarmte ferspraat wurdt krekt dêr't it generearre wurdt, bliuwe de waarmste apparaten koeler en wurkje konvinsjonele koelers (waarmteôffierders, fans, floeistoflussen) effektiver. Dit fereasket inhege termyske gelieding, elektrysk isolearjend materiaalyntegrearre mar nanometers fan aktive transistors sûnder har delikate eigenskippen te fersteuren. In ûnferwachte kandidaat past hjiryn:diamant.

Wêrom diamant?

Diamant is ien fan 'e bêste termyske geleiders dy't bekend binne - ferskate kearen heger as koper - wylst it ek in elektryske isolator is. De fangst is yntegraasje: konvinsjonele groeimetoaden fereaskje temperatueren om of boppe 900-1000 °C, wat avansearre circuits soe beskeadigje. Resinte foarútgong lit sjen dat tinnepolykristallijne diamantfilms (mar in pear mikrometer dik) kinne groeid wurde byfolle legere temperatuerengeskikt foar ôfmakke apparaten.

De koelers fan hjoed en harren grinzen

Mainstream-koeling rjochtet him op bettere koelers, fans en ynterfacematerialen. Undersykers ûndersiikje ek mikrofluidyske floeistofkoeling, fazeferoaringsmaterialen, en sels it ûnderdompeljen fan servers yn termysk geleidende, elektrysk isolearjende floeistoffen. Dit binne wichtige stappen, mar se kinne grut, djoer of min oerienkomme mei opkommende ...3D-stapeldechip-arsjitektueren, wêrby't meardere silisiumlagen har gedrage as in "wolkekrabber". Yn sokke stapels moat elke laach waarmte ôfstjitte; oars wurde hotspots binnen fêstset.

Hoe kinne jo apparaatfreonlike diamanten groeie

Ienkristaldiamant hat in bûtengewoane termyske geliedingsfermogen (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, sawat seis kear dy fan koper). Makliker te meitsjen polykristallijne films kinne dizze wearden benaderje as se dik genôch binne - en binne noch altyd superieur oan koper, sels as se tinner binne. Tradisjonele gemyske dampôfsetting reagearret metaan en wetterstof by hege temperatuer, wêrtroch fertikale diamant-nanokolommen ûntsteane dy't letter gearfoegje ta in film; tsjin dy tiid is de laach dik, belast en gefoelich foar barsten.
Groei by legere temperatueren freget om in oar resept. Gewoan it ferminderjen fan de waarmte jout geleidende roet ynstee fan isolearjende diamant. Yntroduksjesoerstofetst kontinu net-diamant koalstof, wêrtroch'tgrutkorrelige polykristallijne diamant by ~400 °C, in temperatuer dy't kompatibel is mei avansearre yntegreare circuits. Like wichtich is dat it proses net allinich horizontale oerflakken kin bedekke, mar eksydmuorren, wat wichtich is foar ynherint 3D-apparaten.

Termyske grinsresistinsje (TBR): de fonon-knelpunt

Waarmte yn fêste stoffen wurdt ferfierd trochfononen(kwantisearre roostervibraasjes). By materiaalynterfaces kinne fononen reflektearje en opstapelje, wêrtroch'ttermyske grinsresistinsje (TBR)dat de waarmtestream hinderet. Interface-engineering siket om TBR te ferleegjen, mar keuzes wurde beheind troch kompatibiliteit fan healgeleiders. By bepaalde ynterfaces kin ûnderlinge minging in tinne foarm foarmjesilisiumkarbid (SiC)laach dy't better oerienkomt mei fononspektra oan beide kanten, en fungearret as in "brêge" en TBR ferminderet - en sadwaande de waarmteoerdracht fan apparaten nei diamant ferbetteret.

In testbed: GaN HEMT's (radiofrekwinsjetransistors)

Transistors mei hege elektronmobiliteit (HEMT's) basearre op galliumnitride-kontrôlestroom yn in 2D-elektrongas en wurde wurdearre foar hege frekwinsje, hege-krêft operaasje (ynklusyf X-band ≈8–12 GHz en W-band ≈75–110 GHz). Omdat waarmte heul tichtby it oerflak generearre wurdt, binne se in poerbêste sonde fan elke in-situ waarmteferspriedende laach. As tinne diamant it apparaat ynkapselet - ynklusyf sydmuorren - binne kanaaltemperatueren waarnommen te sakjen mei~70 °C, mei substansjele ferbetteringen yn termyske haadromte by heech fermogen.

Diamant yn CMOS- en 3D-stapels

Yn avansearre kompjûtergebrûk,3D-stapelingfergruttet yntegraasjedichtheid en prestaasjes, mar skept ynterne termyske knelpunten dêr't tradisjonele, eksterne koelers it minst effektyf binne. It yntegrearjen fan diamant mei silisium kin opnij in foardieligeSiC tuskenlaach, wat in termyske ynterface fan hege kwaliteit oplevert.
Ien foarstelde arsjitektuer is intermyske steigernanometertinne diamantplaten ynbêde boppe transistors yn it diëlektricum, ferbûn trochfertikale termyske vias ("waarmtepylders")makke fan koper of ekstra diamant. Dizze pylders jouwe waarmte fan laach nei laach troch oant it in eksterne koeler berikt. Simulaasjes mei realistyske wurkdruk litte sjen dat sokke struktueren pyktemperatueren kinne ferminderje meioant in oarder fan grutteyn proof-of-concept-stapels.

Wat bliuwt lestich

Wichtige útdagings omfetsje it meitsjen fan it boppeflak fan diamantatomysk flakfoar naadleaze yntegraasje mei oerlizzende ynterferbiningen en diëlektrika, en raffinaazjeprosessen sadat tinne films in poerbêste termyske geliedingsfermogen behâlde sûnder de ûnderlizzende skeakelings te belêsten.

Útsjoch

As dizze oanpakken trochgean te ûntwikkeljen,yn-chip diamant waarmteferspriedingkoe de termyske limiten yn CMOS, RF en krêftelektronika substansjeel ûntspanne - wêrtroch hegere prestaasjes, gruttere betrouberens en tichtere 3D-yntegraasje mooglik binne sûnder de gewoane termyske straffen.