Vì sao chip hiện đại lại hoạt động quá nóng

Khi các bóng bán dẫn nano chuyển mạch ở tốc độ gigahertz, các electron di chuyển nhanh qua mạch và mất năng lượng dưới dạng nhiệt—chính là nhiệt lượng mà bạn cảm nhận được khi máy tính xách tay hoặc điện thoại trở nên quá nóng. Việc tích hợp nhiều bóng bán dẫn hơn vào một con chip sẽ làm giảm không gian để tản nhiệt. Thay vì lan tỏa đều khắp silicon, nhiệt tích tụ thành các điểm nóng có thể nóng hơn hàng chục độ so với các vùng xung quanh. Để tránh hư hỏng và giảm hiệu năng, hệ thống sẽ giảm tốc độ CPU và GPU khi nhiệt độ tăng đột biến.

Phạm vi của thách thức nhiệt

Những gì bắt đầu như một cuộc chạy đua thu nhỏ đã trở thành cuộc chiến với nhiệt độ trong tất cả các thiết bị điện tử. Trong lĩnh vực điện toán, hiệu năng liên tục thúc đẩy mật độ công suất lên cao (các máy chủ riêng lẻ có thể tiêu thụ đến hàng chục kilowatt). Trong lĩnh vực truyền thông, cả mạch kỹ thuật số và mạch tương tự đều đòi hỏi công suất bóng bán dẫn cao hơn để tạo ra tín hiệu mạnh hơn và truyền dữ liệu nhanh hơn. Trong điện tử công suất, hiệu suất tốt hơn ngày càng bị hạn chế bởi các ràng buộc về nhiệt.

Một chiến lược khác: phân tán nhiệt bên trong chip.

Thay vì để nhiệt tập trung, một ý tưởng đầy hứa hẹn là...pha loãngNó được tản nhiệt ngay bên trong con chip – giống như đổ một cốc nước sôi vào bể bơi. Nếu nhiệt được phân tán ngay tại nơi phát sinh, các thiết bị nóng nhất sẽ mát hơn và các bộ tản nhiệt thông thường (tản nhiệt, quạt, hệ thống làm mát bằng chất lỏng) sẽ hoạt động hiệu quả hơn. Điều này đòi hỏi một...vật liệu có độ dẫn nhiệt cao, cách điệnĐược tích hợp chỉ cách các bóng bán dẫn hoạt động vài nanomet mà không làm ảnh hưởng đến các đặc tính tinh tế của chúng. Một ứng cử viên bất ngờ đáp ứng được yêu cầu này:kim cương.

Tại sao lại chọn kim cương?

Kim cương là một trong những chất dẫn nhiệt tốt nhất được biết đến—cao hơn đồng nhiều lần—đồng thời cũng là chất cách điện. Vấn đề nằm ở sự tích hợp: các phương pháp nuôi cấy thông thường yêu cầu nhiệt độ khoảng 900–1000 °C trở lên, điều này sẽ làm hỏng các mạch điện tử tiên tiến. Những tiến bộ gần đây cho thấy rằng kim cương mỏng có thể được chế tạo dễ dàng.kim cương đa tinh thểCác màng mỏng (chỉ dày vài micromet) có thể được tạo ra ởnhiệt độ thấp hơn nhiềuThích hợp cho các thiết bị hoàn chỉnh.

Các loại tủ lạnh hiện nay và những hạn chế của chúng.

Các phương pháp làm mát truyền thống tập trung vào việc cải thiện tản nhiệt, quạt và vật liệu giao diện. Các nhà nghiên cứu cũng khám phá làm mát bằng chất lỏng vi mô, vật liệu chuyển pha, và thậm chí cả việc nhúng máy chủ vào chất lỏng dẫn nhiệt, cách điện. Đây là những bước quan trọng, nhưng chúng có thể cồng kềnh, đắt tiền hoặc không phù hợp với các công nghệ mới nổi.Xếp chồng 3DKiến trúc chip, trong đó nhiều lớp silicon hoạt động như một "tòa nhà chọc trời". Trong các cấu trúc xếp chồng như vậy, mỗi lớp phải tản nhiệt; nếu không, các điểm nóng sẽ bị giữ lại bên trong.

Cách nuôi dưỡng kim cương thân thiện với thiết bị

Kim cương đơn tinh thể có độ dẫn nhiệt đặc biệt cao (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, gấp khoảng sáu lần so với đồng). Các màng đa tinh thể dễ chế tạo hơn có thể đạt được các giá trị này khi đủ dày—và vẫn vượt trội hơn đồng ngay cả khi mỏng hơn. Phương pháp lắng đọng hơi hóa học truyền thống phản ứng metan và hydro ở nhiệt độ cao, tạo thành các cột nano kim cương thẳng đứng sau đó hợp nhất thành một lớp màng; khi đó lớp màng đã dày, chịu ứng suất và dễ bị nứt.
Việc nuôi cấy ở nhiệt độ thấp hơn đòi hỏi một công thức khác. Chỉ đơn giản là giảm nhiệt độ sẽ tạo ra muội than dẫn điện thay vì kim cương cách điện. Giới thiệuôxykhắc liên tục carbon không phải kim cương, cho phépKim cương đa tinh thể hạt lớn ở nhiệt độ ~400 °Cở nhiệt độ này, nó tương thích với các mạch tích hợp tiên tiến. Quan trọng không kém, quy trình này có thể phủ không chỉ các bề mặt nằm ngang mà còn cả các bề mặt khác.thành bênĐiều này rất quan trọng đối với các thiết bị có tính chất 3D.

Điện trở ranh giới nhiệt (TBR): nút thắt phonon

Nhiệt trong chất rắn được truyền bởiphonon(dao động mạng tinh thể lượng tử hóa). Tại các giao diện vật liệu, phonon có thể phản xạ và tích tụ, tạo rađiện trở ranh giới nhiệt (TBR)Điều đó cản trở sự truyền nhiệt. Kỹ thuật giao diện nhằm mục đích giảm TBR, nhưng các lựa chọn bị hạn chế bởi khả năng tương thích với chất bán dẫn. Tại một số giao diện nhất định, sự trộn lẫn có thể tạo thành một lớp mỏng.cacbua silic (SiC)lớp có phổ phonon phù hợp hơn ở cả hai phía, hoạt động như một "cầu nối" và giảm TBR—nhờ đó cải thiện khả năng truyền nhiệt từ các thiết bị vào kim cương.

Một hệ thống thử nghiệm: Transistor HEMT GaN (transistor tần số vô tuyến)

Các transistor có độ linh động điện tử cao (HEMT) dựa trên gallium nitride điều khiển dòng điện trong khí điện tử 2D và được đánh giá cao nhờ khả năng hoạt động ở tần số cao, công suất cao (bao gồm băng tần X ≈8–12 GHz và băng tần W ≈75–110 GHz). Do nhiệt được tạo ra rất gần bề mặt, chúng là một công cụ tuyệt vời để kiểm tra bất kỳ lớp tản nhiệt nào tại chỗ. Khi một lớp kim cương mỏng bao bọc thiết bị—bao gồm cả các thành bên—nhiệt độ kênh đã được quan sát thấy giảm xuống.~70 °CVới những cải tiến đáng kể về khả năng tản nhiệt ở công suất cao.

Kim cương trong CMOS và các lớp xếp chồng 3D

Trong lĩnh vực điện toán tiên tiến,Xếp chồng 3DViệc tích hợp kim cương với silicon làm tăng mật độ và hiệu năng nhưng lại tạo ra các điểm nghẽn nhiệt bên trong, nơi các bộ tản nhiệt truyền thống bên ngoài hoạt động kém hiệu quả nhất. Việc tích hợp kim cương với silicon một lần nữa có thể mang lại lợi ích.lớp xen kẽ SiC, tạo ra một giao diện nhiệt chất lượng cao.
Một trong những kiến ​​trúc được đề xuất làgiàn giáo nhiệt: Các tấm kim cương siêu mỏng cỡ nanomet được nhúng phía trên các bóng bán dẫn bên trong lớp điện môi, được kết nối bởicác lỗ dẫn nhiệt thẳng đứng ("cột nhiệt")Được làm bằng đồng hoặc kim cương bổ sung. Các trụ này truyền nhiệt từ lớp này sang lớp khác cho đến khi nhiệt truyền đến bộ làm mát bên ngoài. Mô phỏng với khối lượng công việc thực tế cho thấy rằng các cấu trúc như vậy có thể giảm nhiệt độ đỉnh điểm bằng cách...lên đến một bậc độ lớntrong các bước thử nghiệm chứng minh tính khả thi.

Điều còn lại khó khăn là gì?

Những thách thức chính bao gồm việc tạo ra bề mặt trên cùng của kim cương.phẳng nguyên tửĐể tích hợp liền mạch với các đường dẫn và chất điện môi phía trên, và tinh chỉnh các quy trình sao cho màng mỏng duy trì khả năng dẫn nhiệt tuyệt vời mà không gây áp lực lên mạch điện bên dưới.

Triển vọng

Nếu những phương pháp này tiếp tục được hoàn thiện,tản nhiệt kim cương trong chipĐiều này có thể giúp nới lỏng đáng kể các giới hạn nhiệt trong CMOS, RF và điện tử công suất—cho phép hiệu năng cao hơn, độ tin cậy cao hơn và tích hợp 3D dày đặc hơn mà không gặp phải những hạn chế về nhiệt thường thấy.