Ngano nga init kaayo ang mga modernong chips

Samtang ang mga nanoscale transistor nag-ilis sa gigahertz nga gikusgon, ang mga electron modagan agi sa mga sirkito ug mawad-an og enerhiya isip kainit—ang samang kainit nga imong mabati kon ang usa ka laptop o telepono mainitan pag-ayo. Ang pagputos og dugang transistors sa usa ka chip magbilin og gamay nga espasyo aron makuha ang kainit. Imbis nga mokatap nga parehas agi sa silicon, ang kainit magtapok ngadto sa mga hotspot nga mahimong napulo ka degrees nga mas init kay sa mga palibot nga rehiyon. Aron malikayan ang kadaot ug pagkawala sa performance, ang mga sistema mopahinay sa mga CPU ug GPU kon motaas ang temperatura.

Ang gilapdon sa hagit sa kainit

Ang nagsugod isip usa ka lumba sa pag-miniaturize nahimo nang usa ka gubat batok sa kainit sa tanang electronics. Sa computing, ang performance padayon nga nagpataas sa power density (ang indibidwal nga mga server mahimong mogamit og napulo ka kilowatts). Sa komunikasyon, ang digital ug analog circuits parehong nanginahanglan og mas taas nga transistor power para sa mas kusog nga signal ug mas paspas nga data. Sa power electronics, ang mas maayo nga efficiency nagkadaghan nga nalimitahan sa thermal constraints.

Laing estratehiya: ipakaylap ang kainit sulod sa chip

Imbis nga pasagdan nga magkonsentrar ang kainit, usa ka maayong ideya mao anglasawonkini sulod sa chip mismo—sama sa pagbubo og usa ka tasa nga nagbukal nga tubig ngadto sa usa ka swimming pool. Kon ang kainit mokatap diha mismo sa dapit diin kini namugna, ang pinakainit nga mga device magpabiling bugnaw ug ang mga conventional cooler (heat sink, fan, liquid loop) mas epektibo nga molihok. Nagkinahanglan kini ogtaas nga thermal-conductivity, materyal nga maka-insulate sa kuryentegi-integrate lang ang mga nanometer gikan sa mga aktibong transistor nga wala makabalda sa ilang delikado nga mga kabtangan. Usa ka wala damha nga kandidato ang mohaom niini nga balaodnon:diamante.

Ngano diamante?

Ang diamante usa sa pinakamaayong thermal conductors nga nailhan—pipila ka pilo nga mas taas kay sa tumbaga—samtang usa usab ka electrical insulator. Ang problema mao ang integration: ang naandan nga mga pamaagi sa pagtubo nanginahanglan og temperatura nga mga 900–1000 °C o labaw pa, nga makadaot sa mga advanced circuitry. Ang bag-o nga mga pag-uswag nagpakita nga ang nipis nga mga materyalesdiamante nga polycrystallineang mga pelikula (pipila lang ka micrometer ang gibag-on) mahimong motubo samas ubos nga temperaturaangay alang sa nahuman nga mga aparato.

Mga cooler karon ug ang ilang mga limitasyon

Ang mainstream cooling nagpunting sa mas maayong mga heat sink, fan, ug mga materyales sa interface. Gisusi usab sa mga tigdukiduki ang microfluidic liquid cooling, mga materyales sa phase-change, ug bisan ang pagpaunlod sa mga server sa thermally conductive, electrically insulating liquids. Kini mga importanteng lakang, apan kini mahimong dako, mahal, o dili maayo nga mohaom sa mga bag-ong henerasyon.3D-stackedmga arkitektura sa chip, diin ang daghang mga lut-od sa silicon molihok sama sa usa ka "skyscraper." Sa ingon nga mga stack, ang matag lut-od kinahanglan nga mopagawas sa kainit; kung dili ang mga hotspot ma-trap sa sulod.

Unsaon pagtanom og diamante nga sayon ​​gamiton sa mga device

Ang single-crystal diamond adunay talagsaong thermal conductivity (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, mga unom ka pilo kay sa tumbaga). Ang mas sayon ​​himoon nga polycrystalline films makaabot niini nga mga kantidad kon igo na ang gibag-on—ug mas maayo gihapon kay sa tumbaga bisan kon nipis pa. Ang tradisyonal nga kemikal nga pagdeposito sa alisngaw mo-react sa methane ug hydrogen sa taas nga temperatura, nga moporma og bertikal nga mga nanocolumn sa diamond nga sa ulahi maghiusa ngadto sa usa ka pelikula; nianang panahona ang layer baga na, na-stress na, ug dali nga mabuak.
Ang pagtubo sa mas ubos nga temperatura nanginahanglan ug lahi nga resipe. Ang pagpaubos lang sa kainit makahatag ug konduktibong soot imbes nga mag-insulate sa diamante. Gipaila angoksihenopadayon nga nag-ukit sa dili-diamante nga carbon, nga nagtugotdako-ug-grain nga polycrystalline diamond sa ~400 °C, usa ka temperatura nga nahiuyon sa mga advanced integrated circuits. Sama ka importante, ang proseso dili lang makatabon sa pinahigda nga mga nawong apan lakip usabmga kilid, nga importante para sa mga 3D device nga kinaiyanhon.

Resistensya sa utlanan sa kainit (TBR): ang bottleneck sa phonon

Ang kainit sa mga solido gidala samga phonon(quantized lattice vibrations). Sa mga material interface, ang mga phonon mahimong mo-reflect ug magtipun-og, nga makamugna ogresistensya sa utlanan sa kainit (TBR)nga makababag sa pag-agos sa kainit. Ang interface engineering nagtinguha sa pagpaubos sa TBR, apan ang mga kapilian limitado sa semiconductor compatibility. Sa pipila ka mga interface, ang intermixing mahimong makaporma og nipis ngasilicon carbide (SiC)usa ka layer nga mas mohaom sa phonon spectra sa duha ka kilid, nga molihok isip usa ka "tulay" ug mokunhod sa TBR—sa ingon nagpauswag sa pagbalhin sa kainit gikan sa mga device ngadto sa diamante.

Usa ka testbed: GaN HEMTs (radio-frequency transistors)

Ang mga high-electron-mobility transistors (HEMTs) gibase sa gallium nitride control current sa usa ka 2D electron gas ug gipabilhan alang sa high-frequency, high-power nga operasyon (lakip ang X-band ≈8–12 GHz ug W-band ≈75–110 GHz). Tungod kay ang kainit namugna duol kaayo sa ibabaw, kini usa ka maayo kaayo nga probe sa bisan unsang in-situ heat-spreading layer. Kung ang nipis nga diamante nagputos sa aparato—lakip ang mga sidewall—ang temperatura sa channel naobserbahan nga mikunhod.~70 °C, nga adunay dakong mga kalamboan sa thermal headroom sa taas nga gahum.

Diamante sa CMOS ug 3D stacks

Sa abansado nga pagkompyuter,3D nga pagpatong-patongnagdugang sa integration density ug performance apan nagmugna og internal thermal bottlenecks diin ang tradisyonal, external coolers dili kaayo epektibo. Ang pag-integrate sa diamond uban sa silicon makamugna na usab og mapuslanongSiC interlayer, nga naghatag ug taas nga kalidad nga thermal interface.
Usa ka gisugyot nga arkitektura mao angthermal nga plantsa: mga nanometro-nipis nga diamante nga gisulod sa ibabaw sa mga transistor sulod sa dielectric, nga konektado pinaagi sabertikal nga thermal vias (“mga haligi sa kainit”)hinimo sa tumbaga o dugang nga diamante. Kini nga mga haligi nagpasa sa kainit gikan sa usa ka layer ngadto sa lain hangtod nga makaabot kini sa usa ka external cooler. Ang mga simulation nga adunay realistiko nga mga workload nagpakita nga ang ingon nga mga istruktura makapakunhod sa peak temperature pinaagi sahangtod sa usa ka han-ay sa gidak-onsa mga stack sa proof-of-concept.

Unsa ang nagpabilin nga lisud

Ang mga pangunang hagit naglakip sa paghimo sa ibabaw nga bahin sa diamantepatag sa atomopara sa hapsay nga integrasyon sa mga nag-overlap nga interconnect ug dielectrics, ug mga proseso sa pagpino aron ang nipis nga mga pelikula makamentinar sa maayo kaayong thermal conductivity nga dili ma-stress ang nagpahiping circuitry.

Panglantaw

Kon kini nga mga pamaagi magpadayon sa paglambo,pagkaylap sa kainit sa diamante sa sulod sa chipmahimong makapagaan pag-ayo sa mga limitasyon sa kainit sa CMOS, RF, ug power electronics—nga magtugot sa mas taas nga performance, mas taas nga kasaligan, ug mas dasok nga 3D integration nga wala ang naandan nga thermal penalties.