Perchè i chips muderni si riscaldanu

Mentre i transistor à nanoscala cambianu à velocità di gigahertz, l'elettroni si precipitanu per i circuiti è perdenu energia cum'è calore - u listessu calore chì si sente quandu un laptop o un telefunu si riscalda in modu sgradevole. Imballà più transistor nantu à un chip lascia menu spaziu per rimuovere quellu calore. Invece di sparghjesi uniformemente in u siliciu, u calore s'accumula in punti caldi chì ponu esse decine di gradi più caldi di e regioni circundanti. Per evità danni è perdite di prestazioni, i sistemi limitanu e CPU è e GPU quandu e temperature aumentanu.

A portata di a sfida termica

Ciò chì hà cuminciatu cum'è una corsa à a miniaturizazione hè diventatu una battaglia cù u calore in tutta l'elettronica. In l'informatica, e prestazioni cuntinueghjanu à spinghje a densità di putenza più alta (i servitori individuali ponu cunsumà decine di kilowatt). In e cumunicazioni, i circuiti sia digitali sia analogichi richiedenu una putenza di transistor più alta per signali più forti è dati più veloci. In l'elettronica di putenza, una migliore efficienza hè sempre più limitata da i vincoli termichi.

Una strategia diversa: sparghje u calore in u chip

Piuttostu chè lascià u calore cuncentrà si, una idea promettente hè didiluiscein u chip stessu - cum'è versà una tazza d'acqua bullente in una piscina. Se u calore hè spargugliatu ghjustu induve hè generatu, i dispositivi più caldi stanu più freschi è i raffreddatori cunvinziunali (dissipatori di calore, ventilatori, circuiti liquidi) funzionanu più efficacemente. Questu richiede unmateriale à alta conducibilità termica, isolante elettricamenteintegratu solu nanometri da transistor attivi senza disturbà e so proprietà delicate. Un candidatu inaspettatu currisponde à questu scopu:diamante.

Perchè un diamante?

U diamante hè trà i migliori cunduttori termichi cunnisciuti - parechje volte più altu chè u rame - mentre hè ancu un isolante elettricu. U prublema hè l'integrazione: i metudi di crescita cunvinziunali richiedenu temperature intornu o sopra à 900-1000 °C, chì danneghjerebbenu i circuiti avanzati. I progressi recenti mostranu chì e fibre magrediamante policristallinuI filmi (solu uni pochi di micrometri di spessore) ponu esse cultivati ​​àtemperature assai più basseadatta per i dispositivi finiti.

I refrigeratori d'oghje è i so limiti

U raffreddamentu mainstream si cuncentra nantu à migliori dissipatori di calore, ventilatori è materiali d'interfaccia. I circadori esploranu ancu u raffreddamentu liquidu microfluidicu, i materiali à cambiamentu di fase è ancu l'immersione di i servitori in liquidi termicamente conduttivi è elettricamente isolanti. Quessi sò passi impurtanti, ma ponu esse ingombranti, cari o mal adattati à i novi tecnulugia emergenti.Impilatu in 3Darchitetture di chip, induve parechji strati di siliciu si cumportanu cum'è un "grattacieli". In tali pile, ogni stratu deve sparghje calore; altrimenti i punti caldi sò intrappulati dentru.

Cumu cultivà diamanti adatti à i dispositivi

U diamante monocristallinu hà una cunduttività termica straordinaria (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, circa sei volte quella di u rame). I filmi policristallini più faciuli da fà ponu avvicinassi à questi valori quandu sò abbastanza spessi - è sò sempre superiori à u rame ancu quandu sò più fini. A deposizione chimica tradiziunale di vapore reagisce u metanu è l'idrogenu à alta temperatura, furmendu nanocolonne verticali di diamante chì dopu si fundenu in un filmu; à quellu puntu u stratu hè grossu, stressatu è propensu à crepe.
A crescita à bassa temperatura richiede una ricetta diversa. Basta à calà u calore per pruduce fuliggine conduttiva invece di diamante isolante. Introduzioneossigenuincide continuamente u carbone senza diamanti, permettendudiamante policristallinu à grana grossa à ~400 °C, una temperatura cumpatibile cù i circuiti integrati avanzati. Altrettantu impurtante, u prucessu pò rivestisce micca solu e superfici urizzuntali ma ancumuri laterali, chì hè impurtante per i dispusitivi intrinsecamente 3D.

Resistenza termica di cunfine (TBR): u collu di buttiglia di i fononi

U calore in i solidi hè purtatu dafononi(vibrazioni di reticolo quantizzate). À l'interfacce di i materiali, i fononi ponu riflette è accumulassi, creenduresistenza termica di u cunfine (TBR)chì impedisce u flussu di calore. L'ingegneria di l'interfaccia cerca di riduce u TBR, ma e scelte sò limitate da a cumpatibilità di i semiconduttori. À certe interfacce, a miscelazione pò furmà una finacarburu di siliciu (SiC)stratu chì currisponde megliu à i spettri di fononi da i dui lati, agendu cum'è un "ponte" è riducendu u TBR, migliurendu cusì u trasferimentu di calore da i dispositivi à u diamante.

Un bancu di prova: GaN HEMT (transistor à radiofrequenza)

I transistor à alta mobilità elettronica (HEMT) basati nantu à a corrente di cuntrollu di nitruru di galliu in un gas elettronicu 2D è sò apprezzati per u funziunamentu à alta frequenza è alta putenza (cumprese a banda X ≈8–12 GHz è a banda W ≈75–110 GHz). Siccomu u calore hè generatu assai vicinu à a superficia, sò una sonda eccellente di qualsiasi stratu di diffusione di u calore in situ. Quandu un diamante sottile incapsula u dispusitivu, cumprese e pareti laterali, hè statu osservatu chì e temperature di u canale calanu di~70 °C, cù miglioramenti sustanziali in u headroom termicu à alta putenza.

Diamante in CMOS è pile 3D

In l'informatica avanzata,Impilamentu 3Daumenta a densità d'integrazione è e prestazioni, ma crea colli di buttiglia termichi interni induve i raffreddatori esterni tradiziunali sò menu efficaci. L'integrazione di u diamante cù u siliciu pò di novu pruduce un benefiziuInterstrato di SiC, pruducendu una interfaccia termica di alta qualità.
Una architettura pruposta hè unaimpalcatura termicafogli di diamanti sottili cum'è nanometri incrustati sopra i transistor in u dielettricu, cunnessi davie termiche verticali ("pilastri di calore")fattu di rame o di diamanti supplementari. Quessi pilastri trasmettenu u calore da stratu à stratu finu à ch'ellu ghjunghje à un refrigeratore esternu. Simulazioni cù carichi di travagliu realistici mostranu chì tali strutture ponu riduce e temperature di punta dafinu à un ordine di grandezzain pile di prova di cuncettu.

Ciò chì ferma difficiule

I sfidi principali includenu a fabricazione di a superficia superiore di u diamanteatomicamente pianuper una integrazione perfetta cù l'interconnessioni è i dielettrici sovrastanti, è i prucessi di raffinazione in modu chì i film sottili manteninu una eccellente conducibilità termica senza stressà i circuiti sottostanti.

Prospettive

Sè sti approcci cuntinueghjanu à maturà,diffusione di u calore di diamanti in u chippuderia rilassà sustanzialmente i limiti termichi in CMOS, RF è elettronica di putenza, permettendu prestazioni più elevate, una maggiore affidabilità è una integrazione 3D più densa senza e solite penalità termiche.