למה שבבים מודרניים מתחממים

כאשר טרנזיסטורים ננומטריים עוברים בקצב של ג'יגה-הרץ, אלקטרונים דוהרים דרך מעגלים ומאבדים אנרגיה כחום - אותו חום שאתם חשים כאשר מחשב נייד או טלפון מתחממים בצורה לא נוחה. דחיסה של יותר טרנזיסטורים על שבב משאירה פחות מקום לסילוק החום הזה. במקום להתפשט באופן שווה דרך הסיליקון, החום מצטבר בנקודות חמות שיכולות להיות חמות בעשרות מעלות מהאזורים הסובבים. כדי למנוע נזק ואובדן ביצועים, מערכות מגבירות את המעבדים והמעבדים הגרפיים כאשר הטמפרטורות עולות.

היקף האתגר התרמי

מה שהחל כמרוץ למזעור הפך לקרב עם חום בכל האלקטרוניקה. במחשוב, הביצועים ממשיכים לדחוף את צפיפות ההספק (שרתים בודדים יכולים לצרוך סדר גודל של עשרות קילוואט). בתקשורת, מעגלים דיגיטליים ואנלוגיים כאחד דורשים הספק טרנזיסטור גבוה יותר עבור אותות חזקים יותר ונתונים מהירים יותר. באלקטרוניקת הספק, יעילות טובה יותר מוגבלת יותר ויותר על ידי אילוצים תרמיים.

אסטרטגיה שונה: פיזור חום בתוך השבב

במקום לתת לחום להתרכז, רעיון מבטיח הואלְדַלֵלאותו בתוך השבב עצמו - כמו לשפוך כוס מים רותחים לבריכת שחייה. אם החום מתפזר בדיוק במקום בו הוא נוצר, המכשירים החמים ביותר נשארים קרירים יותר ומקררים קונבנציונליים (גופי קירור, מאווררים, לולאות נוזל) פועלים בצורה יעילה יותר. זה דורשחומר מבודד חשמלי בעל מוליכות תרמית גבוההמשולבים רק ננומטרים מטרנזיסטורים פעילים מבלי לפגוע בתכונותיהם העדינות. מועמד בלתי צפוי מתאים לדרישה זו:יַהֲלוֹם.

למה דווקא יהלום?

יהלום הוא בין מוליכי החום הטובים ביותר הידועים - גבוה פי כמה מנחושת - ובנוסף משמש כמבודד חשמלי. הבעיה היא אינטגרציה: שיטות גידול קונבנציונליות דורשות טמפרטורות סביב 900-1000 מעלות צלזיוס או מעליהן, דבר שעלול לפגוע במעגלים מתקדמים. התקדמות אחרונה מראה ש...יהלום רב-קריסטליניתן לגדל סרטים (בעובי של כמה מיקרומטרים בלבד) בטמפרטורות נמוכות בהרבהמתאים למכשירים מוגמרים.

מצננים של היום והמגבלות שלהם

קירור מיינסטרים מתמקד בגופי קירור, מאווררים וחומרי ממשק טובים יותר. חוקרים חוקרים גם קירור נוזלים מיקרופלואידי, חומרים לשינוי פאזה, ואפילו טבילת שרתים בנוזלים מוליכים תרמית ומבודדים חשמלית. אלו צעדים חשובים, אך הם יכולים להיות מגושמים, יקרים או לא מתאימים לטכנולוגיה המתפתחת.תלת-ממדית מוערמתארכיטקטורות שבבים, שבהן שכבות סיליקון מרובות מתנהגות כמו "גורד שחקים". בערימות כאלה, כל שכבה חייבת לפלוט חום; אחרת נקודות חמות נלכדות בפנים.

איך לגדל יהלום ידידותי למכשיר

ליהלום חד-גבישי יש מוליכות תרמית יוצאת דופן (כ-2200–2400 וואט מ"ק קלווין, בערך פי שישה מזו של נחושת). שכבות פוליקריסטליות קלות יותר לייצור יכולות להתקרב לערכים אלה כשהן עבות מספיק - ועדיין עדיפות על נחושת גם כשהן דקות יותר. שקיעת אדים כימית מסורתית מגיבה מתאן ומימן בטמפרטורה גבוהה, ויוצרת ננו-עמודות יהלום אנכיות שמתמזגות מאוחר יותר לשכבה; עד אז השכבה עבה, מתוחה ונוטה לסדקים.
גידול בטמפרטורה נמוכה דורש מתכון שונה. פשוט להנמיך את החום מניב פיח מוליך במקום יהלום מבודד.חַמצָןחריטה רציפה של פחמן שאינו יהלום, ומאפשרתיהלום רב-גבישי בעל גרגירים גדולים בטמפרטורה של ~400 מעלות צלזיוס, טמפרטורה התואמת למעגלים משולבים מתקדמים. חשוב לא פחות, התהליך יכול לצפות לא רק משטחים אופקיים אלא גםדפנות צדדיות, דבר שחשוב עבור מכשירים תלת-ממדיים מטבעם.

התנגדות גבול תרמית (TBR): צוואר הבקבוק של הפונונים

חום במוצקים נישא על ידיפונונים(תנודות סריג כמותיות). בממשקי חומרים, פונונים יכולים להשתקף ולהצטבר, וליצורהתנגדות גבול תרמית (TBR)שמעכב את זרימת החום. הנדסת ממשקים שואפת להוריד את ה-TBR, אך האפשרויות מוגבלות על ידי תאימות מוליכים למחצה. בממשקים מסוימים, ערבוב יכול ליצור דקסיליקון קרביד (SiC)שכבה שמתאימה טוב יותר לספקטרום הפונונים משני הצדדים, פועלת כ"גשר" ומפחיתה את TBR - ובכך משפרת את העברת החום מההתקנים אל היהלום.

משטח ניסוי: טרנזיסטורי GaN HEMT (טרנזיסטורי תדר רדיו)

טרנזיסטורים בעלי ניידות אלקטרונים גבוהה (HEMTs) המבוססים על זרם בקרה של גליום ניטריד בגז אלקטרונים דו-ממדי, מוערכים בזכות פעולה בתדר גבוה והספק גבוה (כולל פס X ≈8–12 גיגה-הרץ ופס W ≈75–110 גיגה-הרץ). מכיוון שחום נוצר קרוב מאוד לפני השטח, הם מהווים גשש מצוין לכל שכבה מפזרת חום באתר. כאשר יהלום דק עוטף את המכשיר - כולל דפנות הצדדיות - נצפו ירידה בטמפרטורות התעלות ב-~70 מעלות צלזיוס, עם שיפורים משמעותיים במרווח התרמי בהספק גבוה.

יהלום ב-CMOS ובערימות תלת-ממדיות

בתחום המחשוב המתקדם,ערימה תלת-ממדיתמגדיל את צפיפות האינטגרציה והביצועים אך יוצר צווארי בקבוק תרמיים פנימיים שבהם מקררים חיצוניים מסורתיים הם הכי פחות יעילים. שילוב יהלום עם סיליקון יכול שוב לייצר יתרוןשכבת ביניים של SiC, מה שמניב ממשק תרמי באיכות גבוהה.
ארכיטקטורה מוצעת אחת היאפיגום תרמייריעות יהלום דקות ננומטריות משובצות מעל טרנזיסטורים בתוך הדיאלקטרי, המחוברות על ידיויא תרמי אנכי ("עמודי חום")עשויים נחושת או יהלום נוסף. עמודים אלה מעבירים חום משכבה לשכבה עד שהוא מגיע למקרר חיצוני. סימולציות עם עומסי עבודה מציאותיים מראות שמבנים כאלה יכולים להפחית טמפרטורות שיא על ידיעד סדר גודלבערימות הוכחת היתכנות.

מה שנשאר קשה

אתגרים מרכזיים כוללים יצירת המשטח העליון של היהלוםשטוח מבחינה אטומיתלאינטגרציה חלקה עם חיבורים וחומרים דיאלקטריים שמעליהם, ותהליכי זיקוק כך ששכבות דקות ישמרו על מוליכות תרמית מצוינת מבלי להפעיל לחץ על המעגלים הבסיסיים.

הַשׁקָפָה

אם גישות אלו ימשיכו להתפתח,פיזור חום של יהלום בתוך השבביכול להקל באופן משמעותי על מגבלות התרמיות ב-CMOS, RF ואלקטרוניקה של הספק - מה שמאפשר ביצועים גבוהים יותר, אמינות רבה יותר ואינטגרציה תלת-ממדית צפופה יותר ללא העונשים התרמיים הרגילים.