Чаро чипҳои муосир гарм мешаванд

Вақте ки транзисторҳои наномасштаб бо суръати гигагертс иваз мешаванд, электронҳо аз занҷирҳо мегузаранд ва энергияро ҳамчун гармӣ гум мекунанд - ҳамон гармие, ки шумо ҳангоми гарм шудани ноутбук ё телефон эҳсос мекунед. Ҷойгир кардани транзисторҳои бештар ба чип барои хориҷ кардани ин гармӣ фазои камтар боқӣ мегузорад. Ба ҷои паҳншавии баробар тавассути кремний, гармӣ дар нуқтаҳои гарм ҷамъ мешавад, ки метавонанд даҳҳо дараҷа аз минтақаҳои атроф гармтар бошанд. Барои пешгирӣ аз осеб ва аз даст додани самаранокӣ, системаҳо CPU ва GPU-ҳоро ҳангоми баланд шудани ҳарорат маҳдуд мекунанд.

Доираи мушкилоти гармӣ

Он чизе, ки ҳамчун мусобиқа барои миниатюризатсия оғоз шуда буд, ба мубориза бо гармӣ дар тамоми электроника табдил ёфтааст. Дар компютер, самаранокӣ пайваста зичии барқро баланд мебардорад (серверҳои инфиродӣ метавонанд тақрибан даҳҳо киловатт истифода баранд). Дар коммуникатсия, ҳам схемаҳои рақамӣ ва ҳам схемаҳои аналогӣ барои сигналҳои қавитар ва маълумоти тезтар қувваи баланди транзисторро талаб мекунанд. Дар электроникаи барқӣ, самаранокии беҳтар аз сабаби маҳдудиятҳои гармӣ торафт маҳдудтар мешавад.

Стратегияи дигар: паҳн кардани гармӣ дар дохили чип

Ба ҷои он ки гармиро мутамарказ гардонем, як идеяи умедбахш ин аст, киоб карданон дар дохили худи чип аст — мисли рехтани як пиёла оби ҷӯшон ба ҳавзи шиноварӣ. Агар гармӣ маҳз дар ҷое, ки ҳосил мешавад, паҳн шавад, дастгоҳҳои гармтарин хунуктар мемонанд ва хунуккунакҳои анъанавӣ (гармкунакҳо, вентиляторҳо, ҳалқаҳои моеъ) самараноктар кор мекунанд. Ин талаб мекунадмаводи изолятсионии барқӣ, гармигузаронии баландтанҳо нанометрҳоро аз транзисторҳои фаъол бидуни халалдор кардани хосиятҳои нозуки онҳо муттаҳид мекунад. Номзади ғайричашмдошт ба ин талабот мувофиқат мекунад:алмос.

Чаро алмос?

Алмос яке аз беҳтарин ноқилҳои гармидиҳӣ мебошад, ки чанд маротиба аз мис баландтар аст ва дар айни замон изолятори барқӣ низ мебошад. Мушкилот дар ҳамгироӣ аст: усулҳои анъанавии парвариш ҳарорати тақрибан 900-1000 °C ё аз он болотарро талаб мекунанд, ки ба схемаҳои пешрафта зарар мерасонад. Пешрафтҳои ахир нишон медиҳанд, ки тунукалмоси поликристаллӣплёнкаҳо (танҳо чанд микрометр ғафсӣ) метавонанд дар он парвариш карда шавандҳарорати хеле пасттарбарои дастгоҳҳои тайёр мувофиқ аст.

Хушккунакҳои имрӯза ва маҳдудиятҳои онҳо

Сардшавии асосӣ ба гармкунакҳои беҳтар, вентиляторҳо ва маводҳои интерфейсӣ тамаркуз мекунад. Муҳаққиқон инчунин хунуккунии моеъи микрофлюидӣ, маводҳои тағйирдиҳандаи фаза ва ҳатто ғӯтонидани серверҳоро дар моеъҳои гармигузаронанда ва изолятсионии барқӣ меомӯзанд. Ин қадамҳои муҳиманд, аммо онҳо метавонанд калонҳаҷм, гарон ё бо технологияҳои нав мувофиқат накунанд.3D-қабатбандӣмеъмории чипҳо, ки дар он қабатҳои сершумори силикон мисли "осмонсарой" рафтор мекунанд. Дар чунин стекҳо, ҳар як қабат бояд гармиро аз худ дур кунад; вагарна нуқтаҳои гарм дар дохили он банд мемонанд.

Чӣ тавр алмосро барои дастгоҳ парвариш кардан мумкин аст

Алмоси яккристаллӣ дорои гузаронандагии гармии ғайриоддӣ аст (≈2200–2400 Вт м⁻¹ К⁻¹, тақрибан шаш маротиба аз мис зиёдтар). Плёнкаҳои поликристаллии осонтар метавонанд ба ин арзишҳо ҳангоми ғафсии кофӣ наздик шаванд ва ҳатто ҳангоми тунуктар будан аз мис бартарӣ доранд. Тахмини анъанавии буғи кимиёвӣ метан ва гидрогенро дар ҳарорати баланд ба реаксия меандозад ва нанокулонҳои амудии алмосро ташкил медиҳад, ки баъдтар ба плёнка муттаҳид мешаванд; то он вақт қабат ғафс, фишор ва ба кафидан моил мешавад.
Парвариши ҳарорати пасттар дорухати дигарро талаб мекунад. Танҳо паст кардани ҳарорат ба ҷои алмоси изолятсиякунанда, дуди ноқилро ба вуҷуд меорад. Муаррифӣоксигенпайваста карбони ғайриалмосро кандакорӣ мекунад, ки имкон медиҳадалмоси поликристаллии калонҳаҷм дар ~400 °C, ҳарорате, ки бо схемаҳои пешрафтаи интегралӣ мувофиқ аст. Муҳимтар аз ҳама, ин раванд метавонад на танҳо сатҳҳои уфуқиро, балки инчуниндеворҳои паҳлӯӣ, ки барои дастгоҳҳои дорои хусусияти 3D муҳим аст.

Муқовимати сарҳадии гармӣ (TBR): монеаи фонон

Гармӣ дар ҷисмҳои сахт интиқол дода мешавадфононҳо(ларзишҳои шабакавии квантӣ). Дар интерфейсҳои моддӣ, фононҳо метавонанд инъикос ёбанд ва ҷамъ шаванд, ки боисиМуқовимати сарҳадии гармӣ (TBR)ки ҷараёни гармиро бозмедорад. Муҳандисии интерфейс мекӯшад, ки TBR-ро кам кунад, аммо интихобҳо аз сабаби мутобиқати нимноқилҳо маҳдуданд. Дар баъзе интерфейсҳо, омехтакунӣ метавонад як тунукро ташкил диҳадкарбиди кремний (SiC)қабате, ки бо спектрҳои фонон аз ҳарду тараф беҳтар мувофиқат мекунад, ҳамчун "пул" амал мекунад ва TBR-ро кам мекунад - бо ин васила интиқоли гармиро аз дастгоҳҳо ба алмос беҳтар мекунад.

Тахтаи озмоишӣ: транзисторҳои басомади радиоӣ (GAN HEMTs)

Транзисторҳои ҳаракати баланди электрон (HEMT), ки ба ҷараёни идоракунии нитриди галлий дар гази электронии 2D асос ёфтаанд ва барои кори басомади баланд ва қувваи баланд (аз ҷумла диапазони X ≈8–12 ГГц ва диапазони W ≈75–110 ГГц) қадр карда мешаванд. Азбаски гармӣ дар наздикии сатҳ ба вуҷуд меояд, онҳо як зонди аълои ҳама гуна қабати паҳнкунандаи гармии in-situ мебошанд. Вақте ки алмоси тунук дастгоҳро, аз ҷумла деворҳои паҳлӯиро, капсула мекунад, ҳарорати каналҳо ба таври назаррас коҳиш ёфтааст.~70 °C, бо беҳбудиҳои назаррас дар фазои гармидиҳӣ дар қувваи баланд.

Алмос дар CMOS ва стекҳои 3D

Дар ҳисоббарории пешрафта,Ҷойгиркунии 3Dзичии ҳамгироӣ ва самаранокиро зиёд мекунад, аммо монеаҳои дохилии гармиро ба вуҷуд меорад, ки дар онҳо хунуккунакҳои анъанавии беруна самаранокии камтар доранд. Ҳамгироии алмос бо кремний метавонад боз ҳам фоидаовар бошад.қабати байниқабати SiC, ки интерфейси гармии баландсифатро таъмин мекунад.
Яке аз меъмории пешниҳодшуда ин асттахтаи гармидиҳӣ: варақаҳои алмосии тунуки нанометрӣ, ки дар болои транзисторҳо дар дохили диэлектрик ҷойгир карда шудаанд, бо роҳи пайвастшудагузаргоҳҳои гармии амудӣ ("сутунҳои гармӣ")аз мис ё алмоси иловагӣ сохта шудааст. Ин сутунҳо гармиро аз як қабат ба қабати дигар мегузаронанд, то он даме ки он ба сардкунандаи беруна мерасад. Симулятсияҳо бо бори кории воқеӣ нишон медиҳанд, ки чунин сохторҳо метавонанд ҳарорати авҷро бо роҳито як тартиби бузургӣдар стекҳои исботи консепсия.

Чӣ мушкил боқӣ мемонад

Мушкилоти асосӣ иборатанд аз сохтани сатҳи болоии алмосатомӣ ҳамворбарои ҳамгироии бефосила бо пайвасткунакҳо ва диэлектрикҳои болоии рӯй ва равандҳои тозакунӣ, то плёнкаҳои тунук қобилияти гармии аълоро бидуни фишор ба схемаи аслӣ нигоҳ доранд.

Дурнамо

Агар ин усулҳо минбаъд низ рушд кунанд,паҳншавии гармии алмос дар дохили чипметавонад маҳдудиятҳои гармиро дар CMOS, RF ва электроникаи барқӣ ба таври назаррас суст кунад - имкон медиҳад, ки иҷрои баландтар, эътимоднокии бештар ва ҳамгироии зичии 3D бидуни ҷаримаҳои маъмулии гармӣ таъмин карда шавад.