Poukisa chips modèn yo chofe

Pandan tranzistò nanoechèl yo ap chanje nan vitès gigahertz, elektwon yo ap prese nan sikui yo epi pèdi enèji kòm chalè—menm chalè ou santi lè yon laptop oswa yon telefòn vin chofe twòp. Mete plis tranzistò sou yon chip kite mwens espas pou retire chalè sa a. Olye pou l gaye respire nan tout silikon an, chalè a akimile nan pwen cho ki ka plizyè dizèn degre pi cho pase rejyon ki antoure yo. Pou evite domaj ak pèt pèfòmans, sistèm yo limite CPU yo ak GPU yo lè tanperati yo monte.

Dimansyon defi tèmik la

Sa ki te kòmanse kòm yon kous pou miniaturize aparèy elektwonik yo vin tounen yon batay ak chalè nan tout aparèy elektwonik yo. Nan enfòmatik, pèfòmans kontinye ap pouse dansite puisans lan pi wo (chak sèvè ka itilize plizyè dizèn kilowat). Nan kominikasyon, tou de sikui dijital ak analòg yo mande pi gwo puisans tranzistò pou siyal ki pi fò ak done ki pi rapid. Nan elektwonik puisans, pi bon efikasite a limite de pli zan pli pa kontrent tèmik yo.

Yon lòt estrateji: gaye chalè anndan chip la

Olye pou kite chalè konsantre, yon bon lide se poudilyeli andedan chip la menm—tankou vide yon tas dlo bouyi nan yon pisin. Si chalè a gaye egzakteman kote li pwodui a, aparèy ki pi cho yo rete pi fre epi refwadisè konvansyonèl yo (disipateur chalè, fanatik, bouk likid) travay pi efikasman. Sa mande yonmateryèl ki gen gwo konduktivite tèmik, izolasyon elektrikentegre jis nanomèt soti nan tranzistò aktif san yo pa deranje pwopriyete delika yo. Yon kandida inatandi koresponn ak bezwen sa a:dyaman.

Poukisa dyaman?

Dyaman se pami pi bon kondiktè tèmik yo konnen—plizyè fwa pi wo pase kwiv—epi an menm tan li se yon izolan elektrik. Pwoblèm nan se entegrasyon an: metòd kwasans konvansyonèl yo mande tanperati alantou oswa pi wo pase 900–1000 °C, sa ki ta domaje sikui avanse yo. Dènye pwogrè yo montre ke mensdyaman polikristalinfim (sèlman kèk mikwomèt epesè) ka grandi nantanperati ki pi ba anpilapwopriye pou aparèy fini.

Glasiyè jodi a ak limit yo

Refwadisman endikap konsantre sou pi bon disipatè chalè, fanatik, ak materyèl entèfas. Chèchè yo eksplore tou refwadisman likid mikrofluidik, materyèl chanjman faz, e menm plonje sèvè nan likid ki konduktif tèmikman e ki izole elektrikman. Sa yo se etap enpòtan, men yo ka ankonbran, chè, oswa mal adapte ak teknoloji émergentes yo.Anpile 3Dachitekti chip, kote plizyè kouch silikon konpòte yo tankou yon "gratsyèl". Nan pil sa yo, chak kouch dwe degaje chalè; sinon pwen cho yo bloke anndan.

Kijan pou fè dyaman ki fasil pou itilize sou aparèy

Dyaman monokristal gen yon konduktivite tèmik ekstraòdinè (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, anviwon sis fwa sa ki nan kwiv la). Fim polikristalin ki pi fasil pou fè yo ka pwoche bò valè sa yo lè yo ase epè—epi yo toujou siperyè kwiv menm lè yo pi mens. Depozisyon vapè chimik tradisyonèl la reyaji metàn ak idwojèn nan tanperati ki wo, sa ki fòme nanokolòn dyaman vètikal ki pita rantre nan yon fim; lè sa a kouch la epè, anba estrès, epi li gen tandans pou fann.
Kwasans nan tanperati ki pi ba mande yon resèt diferan. Jis bese chalè a bay swi kondiktif olye de dyaman izolan. Entwodiksyonoksijènkontinyèlman grave kabòn ki pa dyaman, sa ki pèmètdyaman polikristalin gwo grenn nan ~400 °C, yon tanperati konpatib ak sikui entegre avanse. Menm jan enpòtan, pwosesis la ka kouvri non sèlman sifas orizontal men toumi bò yo, ki enpòtan pou aparèy ki gen 3D natirèlman.

Rezistans limit tèmik (TBR): blokaj fonon an

Chalè nan solid yo pote pafonon(vibrasyon rezo kantifye). Nan entèfas materyèl yo, fonon yo ka reflete epi anpile, sa ki kreyerezistans limit tèmik (TBR)ki anpeche koule chalè a. Jeni entèfas ap chèche diminye TBR a, men chwa yo limite pa konpatibilite semi-kondiktè. Nan sèten entèfas, melanj ka fòme yon menscarbure Silisyòm (SiC)kouch ki pi byen matche ak spectre fonon sou tou de bò yo, li aji kòm yon "pon" epi li diminye TBR—kidonk li amelyore transfè chalè soti nan aparèy yo nan dyaman an.

Yon ban tès: GaN HEMT (tranzistò radyo-frekans)

Tranzistò ki gen gwo mobilite elektwon (HEMT) yo baze sou kouran kontwòl nitrid galyòm nan yon gaz elektwon 2D epi yo apresye pou operasyon wo frekans ak gwo puisans (ki gen ladan band X ≈8–12 GHz ak band W ≈75–110 GHz). Paske chalè pwodui toupre sifas la, yo se yon ekselan sond pou nenpòt kouch gaye chalè in-situ. Lè yon dyaman mens ankapsule aparèy la—ki gen ladan mi bò yo—yo obsève tanperati kanal yo bese pa~70 °C, ak amelyorasyon sibstansyèl nan espas tèmik nan gwo pouvwa.

Dyaman nan CMOS ak pil 3D

Nan enfòmatik avanse,Anpileman 3Dogmante dansite entegrasyon ak pèfòmans men kreye blokaj tèmik entèn kote refwadisman tradisyonèl ekstèn yo mwens efikas. Entegre dyaman ak silikon ka pwodui yon benefis ankòEntèkouch SiC, sa ki bay yon koòdone tèmik ki gen bon kalite.
Yon achitekti pwopoze a se yonechafodaj tèmikfèy dyaman mens tankou nanomèt entegre anlè tranzistò yo nan dyelektrik la, konekte pavia tèmik vètikal ("poto chalè")fèt ak kwiv oubyen dyaman anplis. Poto sa yo pase chalè soti nan yon kouch rive nan yon lòt jiskaske li rive nan yon pi fre ekstèn. Similasyon ak chaj travay reyalis montre ke estrikti sa yo ka diminye tanperati pik yo pajiska yon lòd mayitidnan pil prèv-de-konsèp.

Sa ki rete difisil

Defi prensipal yo enkli fè sifas anwo dyaman anatomikman platpou entegrasyon san pwoblèm ak koneksyon ak dyeelektrik ki anlè yo, ak pwosesis rafinman pou fim mens yo kenbe yon ekselan konduktivite tèmik san yo pa mete estrès sou sikui ki anba a.

Pèspektiv

Si apwòch sa yo kontinye devlope,gaye chalè dyaman nan chip late kapab detann limit tèmik yo anpil nan CMOS, RF, ak elektwonik pouvwa—sa ki pèmèt pi gwo pèfòmans, pi gwo fyab, ak entegrasyon 3D pi dans san penalite tèmik abityèl yo.