Pam mae sglodion modern yn rhedeg yn boeth

Wrth i drawsnewidyddion nanosgâl newid ar gyfraddau gigahertz, mae electronau'n rhuthro trwy gylchedau ac yn colli ynni fel gwres—yr un gwres rydych chi'n ei deimlo pan fydd gliniadur neu ffôn yn mynd yn anghyfforddus o gynnes. Mae pacio mwy o drawsnewidyddion ar sglodion yn gadael llai o le i gael gwared ar y gwres hwnnw. Yn lle lledaenu'n gyfartal trwy silicon, mae gwres yn cronni mewn mannau poeth a all fod ddegau o raddau'n boethach na'r rhanbarthau cyfagos. Er mwyn osgoi difrod a cholli perfformiad, mae systemau'n lleihau CPUs a GPUs pan fydd tymereddau'n codi.

Cwmpas yr her thermol

Mae'r hyn a ddechreuodd fel ras i leihau maint wedi dod yn frwydr gyda gwres ar draws yr holl electroneg. Mewn cyfrifiadura, mae perfformiad yn parhau i wthio dwysedd pŵer yn uwch (gall gweinyddion unigol ddefnyddio tua degau o gilowatiau). Mewn cyfathrebu, mae cylchedau digidol ac analog yn galw am bŵer transistor uwch ar gyfer signalau cryfach a data cyflymach. Mewn electroneg pŵer, mae effeithlonrwydd gwell yn cael ei gyfyngu fwyfwy gan gyfyngiadau thermol.

Strategaeth wahanol: lledaenu gwres y tu mewn i'r sglodion

Yn hytrach na gadael i wres ganolbwyntio, syniad addawol ywgwanhauo fewn y sglodion ei hun—fel tywallt cwpan o ddŵr berwedig i mewn i bwll nofio. Os caiff gwres ei ledaenu yn union lle mae'n cael ei gynhyrchu, mae'r dyfeisiau poethaf yn aros yn oerach ac mae oeryddion confensiynol (sinciau gwres, ffaniau, dolenni hylif) yn gweithio'n fwy effeithiol. Mae hyn yn gofyn amdeunydd inswleiddio trydanol â dargludedd thermol uchelwedi'i integreiddio dim ond nanometrau o drawsnewidyddion gweithredol heb amharu ar eu priodweddau bregus. Mae ymgeisydd annisgwyl yn gweddu i'r bil hwn:diemwnt.

Pam diemwnt?

Mae diemwnt ymhlith y dargludyddion thermol gorau sy'n hysbys—sawl gwaith yn uwch na chopr—tra hefyd yn inswleiddiwr trydanol. Y broblem yw integreiddio: mae dulliau tyfu confensiynol angen tymereddau o gwmpas neu uwchlaw 900–1000 °C, a fyddai'n niweidio cylchedwaith uwch. Mae datblygiadau diweddar yn dangos bod tenaudiemwnt polygrisialoggellir tyfu ffilmiau (dim ond ychydig ficrometrau o drwch) yntymereddau llawer isaddas ar gyfer dyfeisiau gorffenedig.

Oeryddion heddiw a'u cyfyngiadau

Mae oeri prif ffrwd yn canolbwyntio ar sinciau gwres, ffannau a deunyddiau rhyngwyneb gwell. Mae ymchwilwyr hefyd yn archwilio oeri hylif microfluidig, deunyddiau newid cyfnod, a hyd yn oed trochi gweinyddion mewn hylifau dargludol thermol ac inswleiddio trydanol. Mae'r rhain yn gamau pwysig, ond gallant fod yn swmpus, yn ddrud, neu'n cyd-fynd yn wael â'r rhai sy'n dod i'r amlwg.Wedi'i bentyrru'n 3Dpensaernïaeth sglodion, lle mae sawl haen silicon yn ymddwyn fel “nendyrau.” Mewn pentyrrau o'r fath, rhaid i bob haen ollwng gwres; fel arall mae mannau poeth yn cael eu dal y tu mewn.

Sut i dyfu diemwnt sy'n gyfeillgar i ddyfeisiau

Mae gan ddiamwnt un grisial ddargludedd thermol eithriadol (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, tua chwe gwaith yn fwy na chopr). Gall ffilmiau polygrisialog haws eu gwneud agosáu at y gwerthoedd hyn pan fyddant yn ddigon trwchus—ac maent yn dal i fod yn well na chopr hyd yn oed pan fyddant yn deneuach. Mae dyddodiad anwedd cemegol traddodiadol yn adweithio methan a hydrogen ar dymheredd uchel, gan ffurfio nano-golofnau diemwnt fertigol sy'n uno'n ddiweddarach yn ffilm; erbyn hynny mae'r haen yn drwchus, dan straen, ac yn dueddol o gracio.
Mae twf tymheredd is yn gofyn am rysáit wahanol. Mae lleihau'r gwres yn cynhyrchu huddygl dargludol yn hytrach na diemwnt inswleiddio.ocsigenyn ysgythru carbon nad yw'n ddiamwnt yn barhaus, gan alluogidiemwnt polygrisialog grawn mawr ar ~400 °C, tymheredd sy'n gydnaws â chylchedau integredig uwch. Yr un mor bwysig, gall y broses orchuddio nid yn unig arwynebau llorweddol ond hefydochrau, sy'n bwysig ar gyfer dyfeisiau 3D yn eu hanfod.

Gwrthiant ffin thermol (TBR): y tagfa ffonon

Mae gwres mewn solidau yn cael ei gario ganffononau(dirgryniadau dellt wedi'u meintioli). Ar ryngwynebau deunydd, gall ffononau adlewyrchu a phentyrru, gan greuymwrthedd ffin thermol (TBR)sy'n rhwystro llif gwres. Mae peirianneg rhyngwynebau yn ceisio gostwng TBR, ond mae dewisiadau'n gyfyngedig gan gydnawsedd lled-ddargludyddion. Ar rai rhyngwynebau, gall cymysgu ffurfio tenaucarbid silicon (SiC)haen sy'n cyd-fynd yn well â sbectrwm ffonon ar y ddwy ochr, gan weithredu fel "pont" a lleihau TBR—a thrwy hynny wella trosglwyddo gwres o ddyfeisiau i ddiamwnt.

Maes prawf: HEMTs GaN (transistorau amledd radio)

Transistorau symudedd electronau uchel (HEMTs) yn seiliedig ar gerrynt rheoli galiwm nitrid mewn nwy electron 2D ac maent yn cael eu gwerthfawrogi am weithrediad amledd uchel, pŵer uchel (gan gynnwys band-X ≈8–12 GHz a band-W ≈75–110 GHz). Gan fod gwres yn cael ei gynhyrchu'n agos iawn at yr wyneb, maent yn chwiliedydd rhagorol o unrhyw haen lledaenu gwres in-situ. Pan fydd diemwnt tenau yn amgáu'r ddyfais—gan gynnwys waliau ochr—mae tymheredd y sianel wedi'i arsylwi'n gostwng o~70°C, gyda gwelliannau sylweddol mewn uchder thermol ar bŵer uchel.

Diemwnt mewn pentyrrau CMOS a 3D

Mewn cyfrifiadura uwch,Pentyrru 3Dyn cynyddu dwysedd a pherfformiad integreiddio ond yn creu tagfeydd thermol mewnol lle mae oeryddion allanol, traddodiadol yn lleiaf effeithiol. Gall integreiddio diemwnt â silicon gynhyrchu buddiol etoRhynghaen SiC, gan gynhyrchu rhyngwyneb thermol o ansawdd uchel.
Un pensaernïaeth arfaethedig yw asgaffald thermol: dalennau diemwnt tenau nanometr wedi'u hymgorffori uwchben transistorau o fewn y dielectrig, wedi'u cysylltu ganvias thermol fertigol (“pileri gwres”)wedi'i wneud o gopr neu ddiamwnt ychwanegol. Mae'r pileri hyn yn trosglwyddo gwres o haen i haen nes iddo gyrraedd oerydd allanol. Mae efelychiadau gyda llwythi gwaith realistig yn dangos y gall strwythurau o'r fath leihau tymereddau brig trwyhyd at orchymyn maintmewn pentyrrau prawf-o-gysyniad.

Yr hyn sy'n parhau i fod yn anodd

Mae'r heriau allweddol yn cynnwys gwneud wyneb uchaf diemwntyn atomig fflatar gyfer integreiddio di-dor â rhyng-gysylltiadau a dielectrigau uwchben, a mireinio prosesau fel bod ffilmiau tenau yn cynnal dargludedd thermol rhagorol heb straenio'r gylchedwaith sylfaenol.

Rhagolygon

Os bydd y dulliau hyn yn parhau i aeddfedu,lledaeniad gwres diemwnt mewn-sglodiongallai lacio terfynau thermol yn sylweddol mewn CMOS, RF, ac electroneg pŵer—gan ganiatáu perfformiad uwch, dibynadwyedd mwy, ac integreiddio 3D mwy dwys heb y cosbau thermol arferol.