Näme üçin häzirki zaman çipleri gyzýar

Nanoölçegli tranzistorlar gigagers tizliginde geçiş edýän mahaly, elektronlar zynjyrlardan geçip, energiýany ýylylyk hökmünde ýitirýärler - noutbuk ýa-da telefon rahatsyz gyzanda duýýan ýylylyk bilen birmeňzeş. Çipiň üstüne has köp tranzistor goýmak, şol ýylylygy aýyrmak üçin az ýer galdyrýar. Kremniýiň içinde deň derejede ýaýramagyň ýerine, ýylylyk töweregindäki sebitlerden onlarça gradus gyzgyn bolup biljek gyzgyn nokatlara toplanýar. Zyýan çekmegiň we öndürijiligiň ýitmeginiň öňüni almak üçin, ulgamlar temperatura ýokarlananda prosessorlary we grafik prosessorlary gazlandyrýar.

Termal kynçylygyň gerimi

Kiçieltmek üçin ýaryş hökmünde başlan zat ähli elektronikada gyzgynlyk bilen göreşe öwrüldi. Kompýuterlerde öndürijilik energiýa dykyzlygynyň ýokarlanmagyna itergi berýär (aýratyn serwerler onlarça kilowatt töweregini ulanyp bilýärler). Aragatnaşykda sanly we analog zynjyrlaryň ikisi hem has güýçli signallar we has çalt maglumatlar üçin has ýokary tranzistor güýjüni talap edýär. Güýçli elektronikada has gowy netijelilik termal çäklendirmeler bilen barha çäklendirilýär.

Başga bir strategiýa: çipiň içine ýylylygy ýaýratmak

Yssylygyň jemlenmegine ýol bermegiň ýerine, geljegi uly pikirsuwuklandyrmakol çipiň öz içinde — ýüzüş howuzuna gaýnag suw guýmak ýaly. Eger ýylylyk döreýän ýerine ýaýrasa, iň gyzgyn enjamlar has sowuk galýar we adaty sowadyjylar (ýylylyk siňdirijileri, wentylýatorlar, suwuklyk halkalary) has netijeli işleýär. Bu bir zady talap edýärýokary ýylylyk geçirijiligi bolan, elektrik izolýasiýa materialyişjeň tranzistorlardan diňe nanometrleri olaryň inçe häsiýetlerine täsir etmezden birleşdirdi. Garaşylmadyk dalaşgär bu talaplara laýyk gelýär:almaz.

Näme üçin almaz?

Almaz iň gowy ýylylyk geçirijileriniň biri bolup, misden birnäçe esse ýokarydyr, şol bir wagtyň özünde elektrik izolýatorydyr. Esasy mesele integrasiýada: adaty ösüş usullary 900–1000 °C töwereginde ýa-da ondan ýokary temperatura talap edýär, bu bolsa ösen elektrik ulgamlaryna zyýan ýetirer. Soňky ösüşler inçepolikristal almazplýonkalar (diňe birnäçe mikrometr galyňlykda) ösdürilip bilnerhas pes temperaturataýýar enjamlar üçin amatly.

Häzirki sowadyjylar we olaryň çäkleri

Esasy sowadyş has gowy yssylyk siňdirijilerine, wentylýatorlara we interfeýs materiallaryna ünsi jemleýär. Şeýle hem, barlagçylar mikrofluid suwuklyk sowadyşyny, faza üýtgeýän materiallary we hatda serwerleri ýylylyk geçiriji, elektrik izolýasiýa ediji suwuklyklara batyrmagy öwrenýärler. Bu möhüm ädimler, ýöne olar uly göwrümli, gymmat ýa-da täze dörän önümlere laýyk gelmeýän bolup biler.3D-üst-üst edilençip arhitekturalary, bu ýerde köp sanly kremniý gatlaklary "asmanda bina" ýaly hereket edýär. Şeýle steýklerde her gatlak ýylylygy çykarmaly; ýogsam gyzgyn nokatlar içine gabalyp galýar.

Enjama laýyk almaz nädip ösdürip ýetişdirmeli

Bir kristally almazyň adatdan daşary ýylylyk geçirijiligi bar (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, misden alty esse köp). Ýasamagy aňsat bolan polikristal plýonkalar ýeterlik galyňlykda bu gymmatlyklara ýetip biler we hatda inçe bolsa-da, misden has gowy bolýar. Adaty himiki bug çökündisi metan we wodorody ýokary temperaturada reaksiýa geçirip, soňra plýonka birleşýän dik almaz nanokolumlaryny emele getirýär; şol wagta çenli gatlak galyň, dartgynly we çatlamaga meýilli bolýar.
Pes temperaturada ösüş başga resept talap edýär. Diňe ýylylygy peseltmegiň netijesinde, izolýasiýa ediji almazyň ýerine, geçirijilikli küý peýda bolýar.kislorodalmaz däl uglerody üznüksiz oýup çykarýar, bu bolsa mümkinçilik berýäriri däneli polikristal almaz ~400 °C temperaturada, ösen integral mikrosxemalar bilen utgaşykly temperatura. Şeýle hem möhümi, proses diňe gorizontal ýüzleri däl, eýsemgapdal diwarlar, bu bolsa tebigy 3D enjamlar üçin möhümdir.

Termal serhet garşylygy (TBR): fonon bogulmasy

Gaty jisimlerdäki ýylylyk şu arkaly geçirilýärfononlar(kwantlaşdyrylan tor titremeleri). Material serhetlerinde fononlar şöhlelenip we üýşüp, döredip bilýärlertermal serhet garşylygy (TBR)ýylylyk akymyna päsgel berýär. Interfeýs inženerçiligi TBR-i peseltmäge çalyşýar, ýöne saýlawlar ýarymgeçirijileriň utgaşyklylygy bilen çäklendirilendir. Käbir interfeýslerde garyşmak inçe bir zat döredip bilerkremniý karbidi (SiC)fonon spektrlerine iki tarapdan hem has gowy gabat gelýän, "köpri" hökmünde hereket edýän we TBR-i azaldýan gatlak, şeýdip enjamlardan almaza ýylylyk geçirijiligini gowulandyrýar.

Synag platformasy: GaN HEMT-leri (radio ýygylykly tranzistorlar)

2D elektron gazynda galliý nitridiniň dolandyryş togyna esaslanýan ýokary elektron hereketli tranzistorlar (HEMT) ýokary ýygylykly, ýokary kuwwatly işleýşi üçin gymmatlydyr (X-zona ≈8–12 GHz we W-zona ≈75–110 GHz bilen birlikde). Ýylylyk ýüze örän ýakyn ýerde döreýändigi üçin, olar islendik in-situ ýylylyk ýaýradyjy gatlagyň ajaýyp zondydyr. Inçe almaz enjamy, şol sanda gapdal diwarlary gurşap alanda, kanalyň temperaturasynyň aşak düşýändigi syn edildi.~70 °C, ýokary güýçde termal baş giňişliginde ep-esli gowulandyrmalar bilen.

CMOS we 3D steklerinde almaz

Ösen kompýuterlerde,3D üst-üste goýmakintegrasiýa dykyzlygyny we öndürijiligini ýokarlandyrýar, ýöne däp bolan daşarky sowadyjylaryň iň az täsirli bolýan içki termal päsgelçilikleri döredýär. Almazy kremniý bilen integrasiýa etmek ýene-de peýdaly bolup bilerSiC ara gatlagy, ýokary hilli termal interfeýsi döredýär.
Teklip edilýän arhitekturalaryň biritermal iskeledielektrikiň içindeki tranzistorlaryň üstünde ýerleşdirilen nanometr inçe almaz listleri, biri-biri bilen baglanyşyklydik termal ýollar (“ýylylyk sütünleri”)misden ýa-da goşmaça almazdan ýasalýar. Bu sütunlar ýylylygy daşarky sowadyjy enjama ýetýänçä gatlakdan gatlaga geçirýär. Realistik iş ýükleri bolan simulýasiýalar şeýle gurluşlaryň iň ýokary temperaturalary azaltmak arkaly peseldip biljekdigini görkezýär.belli bir derejä çenlikonsepsiýanyň subutnamalarynda.

Näme kyn bolmagynda galýar

Esasy kynçylyklara almazyň ýokarky ýüzüni ýasamak girýäratom taýdan tekizýokarky birikdirijiler we dielektrikler bilen üznüksiz integrasiýa, şeýle hem inçe plýonkalaryň aşaky zynjyra zeper ýetirmezden ajaýyp ýylylyk geçirijiligini saklamagy üçin arassalamak prosesleri üçin.

Perspektiwa

Eger bu çemeleşmeler kämilleşmegini dowam etdirse,çip içinde almaz ýylylygynyň ýaýramagyCMOS, RF we güýç elektronikasyndaky termal çäklendirmeleri düýpli gowşadyp biler - bu bolsa adaty termal jerimeler bolmazdan has ýokary öndürijiligi, has ygtybarlylygy we has dykyz 3D integrasiýasyny üpjün edýär.