Per què els xips moderns s'escalfen

A mesura que els transistors a nanoescala commuten a velocitats de gigahertz, els electrons es precipiten pels circuits i perden energia en forma de calor, la mateixa calor que es sent quan un ordinador portàtil o un telèfon s'escalfa incòmodament. Afegir més transistors a un xip deixa menys espai per eliminar aquesta calor. En lloc de distribuir-se uniformement pel silici, la calor s'acumula en punts calents que poden ser desenes de graus més calents que les regions circumdants. Per evitar danys i pèrdues de rendiment, els sistemes limiten les CPU i les GPU quan les temperatures pugen.

L'abast del repte tèrmic

El que va començar com una cursa per la miniaturització s'ha convertit en una batalla contra la calor en tota l'electrònica. En informàtica, el rendiment continua fent que la densitat de potència sigui més alta (els servidors individuals poden consumir de l'ordre de desenes de quilowatts). En comunicacions, tant els circuits digitals com els analògics exigeixen una potència de transistor més alta per a senyals més forts i dades més ràpides. En electrònica de potència, una millor eficiència està cada cop més limitada per les restriccions tèrmiques.

Una estratègia diferent: repartir la calor dins del xip

En lloc de deixar que la calor es concentri, una idea prometedora ésdiluirdins del mateix xip, com si aboquéssim una tassa d'aigua bullent a una piscina. Si la calor es distribueix just on es genera, els dispositius més calents es mantenen més freds i els refrigeradors convencionals (dissipadors de calor, ventiladors, bucles de líquid) funcionen de manera més eficaç. Això requereix unmaterial d'alta conductivitat tèrmica i aïllant elèctricamentintegrats a només nanòmetres de transistors actius sense alterar les seves delicades propietats. Un candidat inesperat s'adapta a aquest perfil:diamant.

Per què diamant?

El diamant és un dels millors conductors tèrmics coneguts —diverses vegades més fort que el coure— i també és un aïllant elèctric. El problema és la integració: els mètodes de creixement convencionals requereixen temperatures al voltant o superiors als 900–1000 °C, cosa que danyaria els circuits avançats. Els avenços recents mostren que la fina...diamant policristal·líes poden cultivar pel·lícules (de només uns pocs micròmetres de gruix) atemperatures molt més baixesadequat per a dispositius acabats.

Els refrigeradors actuals i els seus límits

La refrigeració convencional se centra en millors dissipadors de calor, ventiladors i materials d'interfície. Els investigadors també exploren la refrigeració líquida microfluídica, els materials de canvi de fase i fins i tot la immersió de servidors en líquids tèrmicament conductors i elèctricament aïllants. Aquests són passos importants, però poden ser voluminosos, cars o mal adaptats als nous desenvolupaments.Apilat en 3Darquitectures de xips, on múltiples capes de silici es comporten com un "gratacel". En aquestes piles, cada capa ha de desprendre calor; en cas contrari, els punts calents queden atrapats a l'interior.

Com fer créixer un diamant compatible amb dispositius

El diamant monocristallí té una conductivitat tèrmica extraordinària (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, unes sis vegades superior a la del coure). Les pel·lícules policristal·lines més fàcils de fabricar poden aproximar-se a aquests valors quan són prou gruixudes, i encara són superiors al coure fins i tot quan són més primes. La deposició química de vapor tradicional fa reaccionar el metà i l'hidrogen a alta temperatura, formant nanocolumnes de diamant verticals que posteriorment es fusionen en una pel·lícula; en aquell moment la capa és gruixuda, tensada i propensa a esquerdar-se.
El creixement a baixa temperatura requereix una recepta diferent. Simplement baixar la calor produeix sutge conductor en lloc de diamant aïllant. Introduccióoxigengrava contínuament carboni no diamantífer, permetentdiamant policristal·lí de gra gran a ~400 °C, una temperatura compatible amb circuits integrats avançats. Igualment important, el procés pot recobrir no només superfícies horitzontals sinó tambéparets laterals, cosa que és important per als dispositius inherentment 3D.

Resistència tèrmica de límit (TBR): el coll d'ampolla dels fonons

La calor en els sòlids es transporta perfonons(vibracions de xarxa quantificades). A les interfícies materials, els fonons es poden reflectir i acumular, creantresistència tèrmica del límit (TBR)que impedeix el flux de calor. L'enginyeria d'interfícies busca reduir la TBR, però les opcions estan limitades per la compatibilitat dels semiconductors. En certes interfícies, la barreja pot formar una fina capacarbur de silici (SiC)capa que coincideix millor amb els espectres de fonons a banda i banda, actuant com a "pont" i reduint la TBR, millorant així la transferència de calor dels dispositius al diamant.

Un banc de proves: HEMT de GaN (transistors de radiofreqüència)

Els transistors d'alta mobilitat electrònica (HEMT) es basen en el corrent de control de nitrur de gal·li en un gas d'electrons 2D i són apreciats pel seu funcionament d'alta freqüència i alta potència (inclosa la banda X ≈8–12 GHz i la banda W ≈75–110 GHz). Com que la calor es genera molt a prop de la superfície, són una excel·lent sonda de qualsevol capa de distribució de calor in situ. Quan un diamant prim encapsula el dispositiu, incloses les parets laterals, s'ha observat que les temperatures del canal disminueixen en~70 °C, amb millores substancials en el marge tèrmic a alta potència.

Diamant en piles CMOS i 3D

En informàtica avançada,Apilament 3Daugmenta la densitat d'integració i el rendiment, però crea colls d'ampolla tèrmics interns on els refrigeradors externs tradicionals són menys efectius. La integració del diamant amb el silici pot tornar a produir un beneficiósintercapa de SiC, donant lloc a una interfície tèrmica d'alta qualitat.
Una arquitectura proposada és unabastida tèrmica: làmines de diamant nanomètriques incrustades sobre transistors dins del dielèctric, connectades pervies tèrmiques verticals ("pilars de calor")fets de coure o diamant addicional. Aquests pilars transmeten la calor de capa en capa fins que arriba a un refrigerador extern. Les simulacions amb càrregues de treball realistes mostren que aquestes estructures poden reduir les temperatures màximes mitjançantfins a un ordre de magnituden piles de prova de concepte.

El que continua sent difícil

Els reptes principals inclouen la fabricació de la superfície superior del diamantatòmicament plaper a una integració perfecta amb interconnexions i dielèctrics superposats, i processos de refinament perquè les pel·lícules primes mantinguin una excel·lent conductivitat tèrmica sense estressar els circuits subjacents.

Perspectiva

Si aquests enfocaments continuen madurant,propagació de calor de diamant dins del xippodria relaxar substancialment els límits tèrmics en CMOS, RF i electrònica de potència, permetent un rendiment més alt, una major fiabilitat i una integració 3D més densa sense les penalitzacions tèrmiques habituals.