Почему современные чипы сильно нагреваются

Поскольку нанотранзисторы переключаются с гигагерцовой частотой, электроны стремительно перемещаются по цепям и теряют энергию в виде тепла — того же тепла, которое вы чувствуете, когда ноутбук или телефон сильно нагреваются. Увеличение количества транзисторов на чипе уменьшает пространство для отвода этого тепла. Вместо равномерного распределения по кремнию, тепло накапливается в локальных очагах, температура которых может быть на десятки градусов выше, чем в окружающих областях. Чтобы избежать повреждений и потери производительности, системы снижают производительность процессоров и видеокарт при резком повышении температуры.

Масштаб проблемы теплового воздействия

То, что начиналось как гонка за миниатюризацией, превратилось в борьбу с перегревом во всей электронике. В вычислительной технике производительность постоянно повышается за счет увеличения удельной мощности (отдельные серверы могут потреблять десятки киловатт). В коммуникациях как цифровые, так и аналоговые схемы требуют большей мощности транзисторов для более сильных сигналов и более быстрой передачи данных. В силовой электронике повышение эффективности все больше ограничивается тепловыми ограничениями.

Другая стратегия: распределение тепла внутри чипа.

Вместо того чтобы позволять теплу концентрироваться, перспективной идеей является следующее:разбавленныйЭто происходит внутри самого чипа — как если бы вы вылили чашку кипятка в бассейн. Если тепло распределяется непосредственно там, где оно генерируется, самые горячие устройства остаются холоднее, а обычные системы охлаждения (радиаторы, вентиляторы, жидкостные контуры) работают эффективнее. Для этого требуетсявысокотеплопроводный, электроизоляционный материалИнтегрированные всего в нескольких нанометрах от активных транзисторов без нарушения их тонких свойств. Неожиданный кандидат идеально подходит под это описание:бриллиант.

Почему именно алмаз?

Алмаз является одним из лучших известных теплопроводников — в несколько раз превосходящим медь — и одновременно электрическим изолятором. Проблема заключается в интеграции: традиционные методы выращивания требуют температур около 900–1000 °C или выше, что повредит сложные электронные схемы. Последние достижения показывают, что тонкиеполикристаллический алмазПленки (толщиной всего несколько микрометров) можно выращивать пригораздо более низкие температурыподходит для готовых устройств.

Современные холодильные камеры и их ограничения

Основные методы охлаждения сосредоточены на улучшении радиаторов, вентиляторов и материалов интерфейса. Исследователи также изучают микрофлюидное жидкостное охлаждение, материалы с фазовым переходом и даже погружение серверов в теплопроводящие, электроизолирующие жидкости. Это важные шаги, но они могут быть громоздкими, дорогостоящими или плохо соответствовать новым требованиям.3D-стекированныйАрхитектуры микросхем, в которых множество кремниевых слоев ведут себя как «небоскреб». В таких многослойных структурах каждый слой должен отводить тепло; в противном случае горячие точки остаются внутри.

Как вырастить алмаз, удобный для использования на устройствах

Монокристаллический алмаз обладает исключительной теплопроводностью (≈2200–2400 Вт·м⁻¹·К⁻¹, примерно в шесть раз выше, чем у меди). Более простые в изготовлении поликристаллические пленки могут приближаться к этим значениям при достаточной толщине — и даже при меньшей толщине превосходят медь. Традиционный метод химического осаждения из газовой фазы предполагает реакцию метана и водорода при высокой температуре, в результате чего образуются вертикальные алмазные наностолбцы, которые впоследствии сливаются в пленку; к этому моменту слой становится толстым, напряженным и склонным к растрескиванию.
Для роста при более низких температурах требуется другой рецепт. Простое снижение температуры приводит к образованию проводящей сажи, а не изолирующего алмаза. Представляем...кислороднепрерывно травит неалмазный углерод, что позволяеткрупнозернистый поликристаллический алмаз при температуре около 400 °CТемпература, совместимая с современными интегральными схемами. Что не менее важно, этот процесс позволяет наносить покрытие не только на горизонтальные поверхности, но и набоковинычто важно для устройств, по своей сути являющихся трехмерными.

Тепловое граничное сопротивление (ТГС): фононное узкое место

В твердых телах тепло переноситсяфононы(Квантированные колебания кристаллической решетки). На границах раздела материалов фононы могут отражаться и накапливаться, создаваятермическое граничное сопротивление (ТГР)Это препятствует тепловому потоку. Разработка интерфейсов направлена ​​на снижение коэффициента теплового сопротивления, но выбор ограничен совместимостью полупроводников. На некоторых интерфейсах перемешивание может образовывать тонкий слой.карбид кремния (SiC)Слой, который лучше соответствует фононным спектрам с обеих сторон, действует как «мост» и снижает TBR, тем самым улучшая теплопередачу от устройств к алмазу.

Испытательный стенд: GaN HEMT (радиочастотные транзисторы)

Высокоподвижные транзисторы (HEMT), основанные на нитриде галлия, управляют током в двумерном электронном газе и ценятся за работу на высоких частотах и ​​с высокой мощностью (включая X-диапазон ≈8–12 ГГц и W-диапазон ≈75–110 ГГц). Поскольку тепло генерируется очень близко к поверхности, они являются отличным инструментом для исследования любого слоя, распространяющего тепло. Было замечено, что при покрытии устройства тонким слоем алмаза, включая боковые стенки, температура канала снижается на~70 °Cс существенным улучшением запаса тепловой мощности при высоких значениях мощности.

Алмаз в КМОП-технологии и 3D-стеках

В передовых вычислительных технологиях,3D-стекированиеЭто повышает плотность интеграции и производительность, но создает внутренние тепловые узкие места, где традиционные внешние системы охлаждения наименее эффективны. Интеграция алмаза с кремнием может снова принести пользу.промежуточный слой SiCв результате чего получается высококачественный тепловой интерфейс.
Один из предложенных архитектурных вариантов —тепловой каркас: нанометровые алмазные листы, встроенные над транзисторами в диэлектрике и соединенные между собойвертикальные тепловые отверстия («тепловые столбики»)Изготовленные из меди или с добавлением алмазов, эти столбики передают тепло от слоя к слою, пока оно не достигнет внешнего охладителя. Моделирование с реалистичными нагрузками показывает, что такие структуры могут снизить пиковые температуры надо порядка величиныв экспериментальных установках.

Что остается сложным

Ключевые задачи включают в себя создание верхней поверхности алмаза.атомно-плоскийдля бесшовной интеграции с вышележащими межсоединениями и диэлектриками, а также для совершенствования процессов, позволяющих тонким пленкам сохранять превосходную теплопроводность без нагрузки на нижележащую схему.

Outlook

Если эти подходы будут и дальше развиваться,внутричиповое алмазное теплоотведениеЭто может существенно ослабить тепловые ограничения в КМОП-технологиях, радиочастотной и силовой электронике, что позволит повысить производительность, надежность и обеспечить более плотную 3D-интеграцию без обычных тепловых потерь.