आधुनिक चिप्स का गरम होतात?

नॅनोस्केल ट्रान्झिस्टर गिगाहर्ट्झच्या वेगाने बदलत असताना, इलेक्ट्रॉन सर्किटमधून वेगाने धावतात आणि उष्णतेसारखी ऊर्जा गमावतात—लॅपटॉप किंवा फोन अस्वस्थपणे गरम झाल्यावर तुम्हाला जाणवणारी तीच उष्णता. चिपवर अधिक ट्रान्झिस्टर पॅक केल्याने ती उष्णता काढून टाकण्यासाठी कमी जागा उरते. सिलिकॉनमधून समान रीतीने पसरण्याऐवजी, उष्णता अशा हॉटस्पॉट्समध्ये जमा होते जे आसपासच्या प्रदेशांपेक्षा दहा अंश जास्त गरम असू शकतात. नुकसान आणि कामगिरी कमी होणे टाळण्यासाठी, तापमान वाढल्यावर सिस्टम CPU आणि GPU ला थ्रोटल करतात.

थर्मल आव्हानाची व्याप्ती

सूक्ष्मीकरण करण्याच्या शर्यतीपासून सुरू झालेली ही स्पर्धा आता सर्व इलेक्ट्रॉनिक्समध्ये उष्णतेशी लढाई बनली आहे. संगणनात, कामगिरी पॉवर घनता वाढवत राहते (वैयक्तिक सर्व्हर दहापट किलोवॅटच्या क्रमाने काढू शकतात). संप्रेषणांमध्ये, डिजिटल आणि अॅनालॉग सर्किट्सना मजबूत सिग्नल आणि वेगवान डेटासाठी जास्त ट्रान्झिस्टर पॉवरची आवश्यकता असते. पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्समध्ये, थर्मल मर्यादांमुळे चांगली कार्यक्षमता वाढत्या प्रमाणात मर्यादित होत आहे.

एक वेगळी रणनीती: चिपच्या आत उष्णता पसरवणे

उष्णता केंद्रित होऊ देण्याऐवजी, एक आशादायक कल्पना म्हणजेपातळ करणेते चिपमध्येच असते—जसे की स्विमिंग पूलमध्ये उकळत्या पाण्यात एक कप ओतणे. जर उष्णता जिथे निर्माण होते तिथेच पसरवली गेली, तर सर्वात गरम उपकरणे थंड राहतात आणि पारंपारिक कूलर (हीट सिंक, पंखे, लिक्विड लूप) अधिक प्रभावीपणे काम करतात. यासाठी आवश्यक आहेउच्च-औष्णिक-चालकता, विद्युत इन्सुलेट सामग्रीसक्रिय ट्रान्झिस्टरच्या नाजूक गुणधर्मांना धक्का न लावता फक्त नॅनोमीटर एकत्रित केले. या बिलात एक अनपेक्षित उमेदवार बसतो:हिरा.

हिरा का?

हिरा हा ज्ञात असलेल्या सर्वोत्तम थर्मल कंडक्टरपैकी एक आहे—तांब्यापेक्षा कित्येक पट जास्त—आणि तो विद्युत इन्सुलेटर देखील आहे. अडचण म्हणजे एकत्रीकरण: पारंपारिक वाढीच्या पद्धतींसाठी सुमारे 900-1000 °C किंवा त्याहून अधिक तापमान आवश्यक असते, ज्यामुळे प्रगत सर्किटरी खराब होईल. अलिकडच्या प्रगतीवरून असे दिसून येते की पातळपॉलीक्रिस्टलाइन डायमंडफिल्म्स (फक्त काही मायक्रोमीटर जाडी) येथे वाढवता येतातखूपच कमी तापमानतयार उपकरणांसाठी योग्य.

आजचे कूलर आणि त्यांच्या मर्यादा

मुख्य प्रवाहातील कूलिंग हे चांगल्या हीट सिंक, पंखे आणि इंटरफेस मटेरियलवर लक्ष केंद्रित करते. संशोधक मायक्रोफ्लुइडिक लिक्विड कूलिंग, फेज-चेंज मटेरियल आणि अगदी थर्मली कंडक्टिव्ह, इलेक्ट्रिकली इन्सुलेट लिक्विडमध्ये बुडवणारे सर्व्हर देखील एक्सप्लोर करतात. हे महत्त्वाचे टप्पे आहेत, परंतु ते अवजड, महागडे किंवा उदयोन्मुखांशी खराब जुळणारे असू शकतात.3D-स्टॅक केलेलेचिप आर्किटेक्चर, जिथे अनेक सिलिकॉन थर "गगनचुंबी इमारती" सारखे वागतात. अशा स्टॅकमध्ये, प्रत्येक थराला उष्णता सोडावी लागते; अन्यथा हॉटस्पॉट आत अडकतात.

उपकरणाला अनुकूल हिरा कसा वाढवायचा

सिंगल-क्रिस्टल डायमंडमध्ये असाधारण थर्मल चालकता असते (≈२२००–२४०० W m⁻¹ K⁻¹, तांब्याच्या सुमारे सहा पट). बनवण्यास सोपे पॉलीक्रिस्टलाइन फिल्म्स पुरेसे जाड असताना या मूल्यांपर्यंत पोहोचू शकतात - आणि पातळ असतानाही तांब्यापेक्षा श्रेष्ठ असतात. पारंपारिक रासायनिक बाष्प निक्षेपण उच्च तापमानावर मिथेन आणि हायड्रोजनची प्रतिक्रिया देते, ज्यामुळे उभ्या डायमंड नॅनोस्तंभ तयार होतात जे नंतर फिल्ममध्ये विलीन होतात; तोपर्यंत थर जाड, ताणलेला आणि क्रॅक होण्याची शक्यता असते.
कमी तापमानात वाढ होण्यासाठी वेगळ्या पद्धतीची आवश्यकता असते. फक्त उष्णता कमी केल्याने हिऱ्याला इन्सुलेट करण्याऐवजी प्रवाहकीय काजळी मिळते. सादरीकरणऑक्सिजनडायमंड नसलेल्या कार्बनला सतत खोदते, ज्यामुळे~४०० °C तापमानावर मोठ्या दाण्यांचा पॉलीक्रिस्टलाइन हिरा, प्रगत एकात्मिक सर्किट्सशी सुसंगत तापमान. तितकेच महत्त्वाचे म्हणजे, ही प्रक्रिया केवळ क्षैतिज पृष्ठभागांनाच नव्हे तरबाजूच्या भिंती, जे मूळतः 3D उपकरणांसाठी महत्त्वाचे आहे.

थर्मल बाउंड्री रेझिस्टन्स (TBR): फोनॉन बॉटलनेक

घन पदार्थांमध्ये उष्णता वाहून नेली जातेफोनॉन(क्वांटाइज्ड लॅटिस कंपन). मटेरियल इंटरफेसवर, फोनॉन परावर्तित होऊ शकतात आणि जमा होऊ शकतात, ज्यामुळेथर्मल बाउंड्री रेझिस्टन्स (TBR)ज्यामुळे उष्णता प्रवाहात अडथळा येतो. इंटरफेस अभियांत्रिकी TBR कमी करण्याचा प्रयत्न करते, परंतु अर्धवाहक सुसंगततेमुळे पर्याय मर्यादित असतात. काही विशिष्ट इंटरफेसवर, इंटरमिक्सिंगमुळे पातळसिलिकॉन कार्बाइड (SiC)दोन्ही बाजूंनी फोनॉन स्पेक्ट्राशी अधिक चांगल्या प्रकारे जुळणारा थर, "पुल" म्हणून काम करतो आणि TBR कमी करतो - अशा प्रकारे उपकरणांमधून हिऱ्यामध्ये उष्णता हस्तांतरण सुधारते.

एक चाचणी कक्ष: GaN HEMTs (रेडिओ-फ्रिक्वेन्सी ट्रान्झिस्टर)

2D इलेक्ट्रॉन गॅसमध्ये गॅलियम नायट्राइड नियंत्रण प्रवाहावर आधारित उच्च-इलेक्ट्रॉन-गतिशीलता ट्रान्झिस्टर (HEMTs) आणि उच्च-फ्रिक्वेन्सी, उच्च-पॉवर ऑपरेशनसाठी मौल्यवान आहेत (X-बँड ≈8–12 GHz आणि W-बँड ≈75–110 GHz सह). उष्णता पृष्ठभागाच्या अगदी जवळ निर्माण होत असल्याने, ते कोणत्याही इन-सिटू उष्णता-प्रसार थराचे उत्कृष्ट प्रोब आहेत. जेव्हा पातळ हिरा उपकरणाला व्यापतो - बाजूच्या भिंतींसह - चॅनेल तापमानात घट झाल्याचे दिसून आले आहे.~७० डिग्री सेल्सिअस, उच्च पॉवरवर थर्मल हेडरूममध्ये लक्षणीय सुधारणांसह.

CMOS आणि 3D स्टॅकमध्ये डायमंड

प्रगत संगणनात,3D स्टॅकिंगएकात्मता घनता आणि कार्यक्षमता वाढवते परंतु अंतर्गत थर्मल अडथळे निर्माण करते जिथे पारंपारिक, बाह्य कूलर कमी प्रभावी असतात. सिलिकॉनसह हिऱ्याचे एकत्रीकरण केल्याने पुन्हा फायदेशीर परिणाम होऊ शकतोSiC इंटरलेअर, उच्च-गुणवत्तेचा थर्मल इंटरफेस प्रदान करतो.
एक प्रस्तावित वास्तुकला म्हणजेथर्मल स्कॅफोल्ड: डायलेक्ट्रिकमध्ये ट्रान्झिस्टरच्या वर एम्बेड केलेले नॅनोमीटर-पातळ डायमंड शीट्स, द्वारे जोडलेलेउभ्या थर्मल वियास ("उष्णता खांब")तांबे किंवा अतिरिक्त हिऱ्यापासून बनलेले. हे खांब उष्णता एका थरातून दुसऱ्या थरात पसरवतात जोपर्यंत ती बाह्य कूलरपर्यंत पोहोचत नाही. वास्तववादी वर्कलोड्ससह सिम्युलेशन दर्शविते की अशा संरचना कमाल तापमान कमी करू शकतातमोठ्या प्रमाणातसंकल्पनेच्या पुराव्याच्या स्टॅकमध्ये.

काय कठीण राहते

प्रमुख आव्हानांमध्ये हिऱ्याचा वरचा पृष्ठभाग बनवणे समाविष्ट आहे.अणुदृष्ट्या सपाटओव्हरलाईंग इंटरकनेक्ट्स आणि डायलेक्ट्रिक्ससह अखंड एकत्रीकरणासाठी आणि शुद्धीकरण प्रक्रियांसाठी जेणेकरून पातळ फिल्म्स अंतर्निहित सर्किटरीवर ताण न आणता उत्कृष्ट थर्मल चालकता राखतील.

आउटलुक

जर हे दृष्टिकोन परिपक्व होत राहिले,इन-चिप डायमंड उष्णता पसरवणेCMOS, RF आणि पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्समध्ये थर्मल मर्यादा लक्षणीयरीत्या शिथिल करू शकतात - ज्यामुळे उच्च कार्यक्षमता, अधिक विश्वासार्हता आणि नेहमीच्या थर्मल पेनल्टीशिवाय अधिक घनता असलेले 3D एकत्रीकरण शक्य होते.