Kwa nini chipsi za kisasa zinawaka moto

Transistors za nanoscale zinapobadilika kwa viwango vya gigahertz, elektroni hukimbia kupitia saketi na kupoteza nishati kama joto—joto lile lile unalohisi wakati kompyuta ya mkononi au simu inapopata joto lisilofaa. Kupakia transistors zaidi kwenye chipu huacha nafasi ndogo ya kuondoa joto hilo. Badala ya kuenea sawasawa kupitia silikoni, joto hujikusanya kwenye maeneo yenye joto ambayo yanaweza kuwa na joto zaidi ya nyuzi joto makumi kuliko maeneo yanayozunguka. Ili kuepuka uharibifu na upotevu wa utendaji, mifumo hubadilisha CPU na GPU wakati halijoto inapoongezeka.

Upeo wa changamoto ya joto

Kile kilichoanza kama mbio ya kupunguza ukubwa wa umeme kimekuwa vita na joto katika vifaa vyote vya elektroniki. Katika kompyuta, utendaji unaendelea kusukuma msongamano wa nguvu juu (seva za kibinafsi zinaweza kutumia mpangilio wa kilowati makumi). Katika mawasiliano, saketi za kidijitali na analogi zinahitaji nguvu ya juu ya transistor kwa ishara kali na data ya haraka. Katika vifaa vya elektroniki vya umeme, ufanisi bora unazidi kupunguzwa na vikwazo vya joto.

Mkakati tofauti: sambaza joto ndani ya chipu

Badala ya kuruhusu joto lijilimbikize, wazo linaloahidi nipunguza uzitondani ya chipu yenyewe—kama vile kumimina kikombe cha maji yanayochemka kwenye bwawa la kuogelea. Ikiwa joto litasambazwa pale linapozalishwa, vifaa vyenye joto kali hubaki baridi zaidi na vipozeo vya kawaida (vifaa vya kupoeza joto, feni, vitanzi vya kioevu) hufanya kazi kwa ufanisi zaidi. Hii inahitajinyenzo zenye upitishaji joto mwingi, zinazohami joto kwa umemeimeunganisha nanomita pekee kutoka kwa transistors zinazofanya kazi bila kuvuruga sifa zao dhaifu. Mgombea asiyetarajiwa anafaa kwa muswada huu:almasi.

Kwa nini almasi?

Almasi ni miongoni mwa kondakta bora wa joto zinazojulikana—mara kadhaa juu kuliko shaba—huku pia ikiwa kihami umeme. Ushindi ni ujumuishaji: mbinu za kawaida za ukuaji zinahitaji halijoto karibu au zaidi ya 900–1000 °C, ambayo ingeharibu saketi za hali ya juu. Maendeleo ya hivi karibuni yanaonyesha kuwa nyembambaalmasi ya polifulifilamu (zenye unene wa mikromita chache tu) zinaweza kupandwa katikahalijoto ya chini sanainafaa kwa vifaa vilivyomalizika.

Vipoezaji vya leo na mipaka yake

Upoezaji mkuu huzingatia sinki bora za joto, feni, na nyenzo za kiolesura. Watafiti pia huchunguza upoezaji wa kioevu chenye uteute mdogo, nyenzo za mabadiliko ya awamu, na hata seva zinazozamisha katika vimiminika vinavyopitisha joto na kuhami umeme. Hizi ni hatua muhimu, lakini zinaweza kuwa kubwa, ghali, au zisizolingana vizuri na vimiminika vinavyoibuka.Imepangwa kwa 3Dusanifu wa chipsi, ambapo tabaka nyingi za silikoni hufanya kazi kama "skyscraper." Katika mirundiko kama hiyo, kila tabaka lazima litoe joto; vinginevyo maeneo yenye joto kali yananaswa ndani.

Jinsi ya kukuza almasi inayoweza kutumika kwa vifaa

Almasi ya fuwele moja ina upitishaji joto wa ajabu (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, takriban mara sita ya shaba). Filamu za poliklisto rahisi kutengeneza zinaweza kukaribia thamani hizi zikiwa nene vya kutosha—na bado ni bora kuliko shaba hata zikiwa nyembamba. Uwekaji wa mvuke wa kemikali wa kitamaduni humenyuka methane na hidrojeni kwenye joto la juu, na kutengeneza safu wima za almasi ambazo baadaye huungana na filamu; kufikia wakati huo safu hiyo huwa nene, imesisitizwa, na inakabiliwa na kupasuka.
Ukuaji wa halijoto ya chini unahitaji kichocheo tofauti. Kupunguza tu joto hutoa masizi yanayopitisha hewa badala ya kuhami almasi.oksijenihuchoma kaboni isiyo ya almasi kila mara, na kuwezeshaalmasi ya polikliniki yenye chembe kubwa kwa ~400 °C, halijoto inayoendana na saketi zilizounganishwa za hali ya juu. Muhimu vile vile, mchakato unaweza kufunika sio tu nyuso zenye mlalo lakini piakuta za pembeni, ambayo ni muhimu kwa vifaa vya 3D kiasili.

Upinzani wa mpaka wa joto (TBR): kizuizi cha fonetiki

Joto katika vitu vigumu hubebwa nafoneni(mitetemo ya kimiani iliyopimwa). Katika violesura vya nyenzo, fonetiki zinaweza kuakisi na kurundikana, na kuundaUpinzani wa mpaka wa joto (TBR)ambayo huzuia mtiririko wa joto. Uhandisi wa kiolesura hutafuta kupunguza TBR, lakini chaguo hupunguzwa na utangamano wa nusu-semiconductor. Katika baadhi ya violesura, kuchanganya kunaweza kuunda nyembambakabidi ya silikoni (SiC)safu inayolingana vyema na spektra ya phononi pande zote mbili, ikifanya kazi kama "daraja" na kupunguza TBR—hivyo kuboresha uhamishaji wa joto kutoka kwa vifaa hadi almasi.

Kifaa cha majaribio: GaN HEMTs (transistors za masafa ya redio)

Transistors zenye uhamaji wa elektroni nyingi (HEMTs) kulingana na mkondo wa udhibiti wa nitridi ya galliamu katika gesi ya elektroni ya 2D na zinathaminiwa kwa uendeshaji wa masafa ya juu na nguvu ya juu (ikiwa ni pamoja na bendi ya X ≈8–12 GHz na bendi ya W ≈75–110 GHz). Kwa sababu joto huzalishwa karibu sana na uso, ni kifaa bora cha kuchungulia safu yoyote ya kueneza joto ndani. Wakati almasi nyembamba inapofunika kifaa—ikiwa ni pamoja na kuta za pembeni—joto la njia limeonekana kupungua kwa~70 °C, pamoja na maboresho makubwa katika chumba cha joto kwenye nguvu ya juu.

Almasi katika CMOS na 3D rundo

Katika kompyuta ya hali ya juu,Upangaji wa 3Dhuongeza msongamano na utendaji wa ujumuishaji lakini hutengeneza vikwazo vya ndani vya joto ambapo vipoezaji vya kawaida, vya nje havina ufanisi mkubwa. Kuunganisha almasi na silikoni kunaweza tena kutoa faidaSafu ya ndani ya SiC, inayotoa kiolesura cha hali ya juu cha joto.
Usanifu mmoja uliopendekezwa nijukwaa la joto: karatasi nyembamba za almasi zilizopachikwa juu ya transistors ndani ya dielektri, zilizounganishwa navias wima za joto ("nguzo za joto")imetengenezwa kwa shaba au almasi ya ziada. Nguzo hizi hupitisha joto kutoka safu moja hadi nyingine hadi lifikie kipozezi cha nje. Simulizi zenye mzigo halisi wa kazi zinaonyesha kwamba miundo kama hiyo inaweza kupunguza joto la kilele kwahadi kiwango cha juukatika mirundiko ya uthibitisho wa dhana.

Kinachobaki kuwa kigumu

Changamoto kuu ni pamoja na kutengeneza sehemu ya juu ya almasitambarare ya atomikikwa ajili ya muunganisho usio na mshono na viunganishi na dielektriki vinavyofunika, na michakato ya uboreshaji ili filamu nyembamba zidumishe upitishaji bora wa joto bila kusisitiza saketi ya chini.

Mtazamo

Ikiwa mbinu hizi zitaendelea kukomaa,kueneza joto la almasi ndani ya chipinaweza kupunguza kwa kiasi kikubwa mipaka ya joto katika CMOS, RF, na vifaa vya elektroniki vya umeme—kuruhusu utendaji wa juu zaidi, uaminifu mkubwa, na muunganisho mzito wa 3D bila adhabu za kawaida za joto.