Mengapa chip modern menjadi panas?

Saat transistor skala nano beralih pada kecepatan gigahertz, elektron mengalir deras melalui sirkuit dan kehilangan energi sebagai panas—panas yang sama yang Anda rasakan ketika laptop atau ponsel menjadi terlalu panas. Menjejalkan lebih banyak transistor ke dalam sebuah chip menyisakan lebih sedikit ruang untuk menghilangkan panas tersebut. Alih-alih menyebar secara merata melalui silikon, panas menumpuk menjadi titik panas yang dapat puluhan derajat lebih panas daripada daerah sekitarnya. Untuk menghindari kerusakan dan penurunan kinerja, sistem akan membatasi kecepatan CPU dan GPU ketika suhu melonjak.

Cakupan tantangan termal

Apa yang dimulai sebagai perlombaan untuk memperkecil ukuran telah menjadi pertempuran melawan panas di seluruh bidang elektronik. Dalam komputasi, kinerja terus mendorong kepadatan daya yang lebih tinggi (server individual dapat menggunakan daya hingga puluhan kilowatt). Dalam komunikasi, baik sirkuit digital maupun analog membutuhkan daya transistor yang lebih tinggi untuk sinyal yang lebih kuat dan data yang lebih cepat. Dalam elektronika daya, efisiensi yang lebih baik semakin dibatasi oleh kendala termal.

Strategi yang berbeda: menyebarkan panas di dalam chip.

Daripada membiarkan panas terkonsentrasi, ide yang menjanjikan adalah...mencairkanpanas tersebut tersebar di dalam chip itu sendiri—seperti menuangkan secangkir air mendidih ke dalam kolam renang. Jika panas tersebar tepat di tempat dihasilkannya, perangkat terpanas akan tetap lebih dingin dan pendingin konvensional (pendingin panas, kipas, pendingin cair) akan bekerja lebih efektif. Hal ini membutuhkanbahan isolasi listrik dengan konduktivitas termal tinggiTerintegrasi hanya beberapa nanometer dari transistor aktif tanpa mengganggu sifat-sifatnya yang sensitif. Kandidat yang tak terduga memenuhi kriteria ini:berlian.

Mengapa berlian?

Berlian termasuk salah satu konduktor termal terbaik yang dikenal—beberapa kali lebih tinggi daripada tembaga—sekaligus merupakan isolator listrik. Masalahnya adalah integrasi: metode pertumbuhan konvensional membutuhkan suhu sekitar atau di atas 900–1000 °C, yang akan merusak sirkuit canggih. Kemajuan terbaru menunjukkan bahwa lapisan tipis berlian dapat menghasilkan konduktivitas termal yang lebih baik.berlian polikristalinFilm (dengan ketebalan hanya beberapa mikrometer) dapat ditumbuhkan padasuhu jauh lebih rendahcocok untuk perangkat jadi.

Pendingin masa kini dan keterbatasannya

Teknologi pendinginan konvensional berfokus pada heat sink, kipas, dan material antarmuka yang lebih baik. Para peneliti juga mengeksplorasi pendinginan cairan mikrofluida, material perubahan fasa, dan bahkan merendam server dalam cairan konduktif termal dan isolator listrik. Ini adalah langkah-langkah penting, tetapi bisa jadi besar, mahal, atau kurang sesuai dengan teknologi yang sedang berkembang.3D bertumpukArsitektur chip, di mana beberapa lapisan silikon berperilaku seperti "gedung pencakar langit." Dalam susunan seperti itu, setiap lapisan harus melepaskan panas; jika tidak, titik panas akan terperangkap di dalamnya.

Cara menumbuhkan berlian yang ramah perangkat

Berlian kristal tunggal memiliki konduktivitas termal yang luar biasa (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, sekitar enam kali lipat dari tembaga). Film polikristalin yang lebih mudah dibuat dapat mendekati nilai-nilai ini jika cukup tebal—dan masih lebih unggul daripada tembaga bahkan ketika lebih tipis. Deposisi uap kimia tradisional mereaksikan metana dan hidrogen pada suhu tinggi, membentuk nanokolom berlian vertikal yang kemudian menyatu menjadi film; pada saat itu lapisan tersebut sudah tebal, tertekan, dan rentan retak.
Pertumbuhan pada suhu lebih rendah membutuhkan resep yang berbeda. Hanya dengan menurunkan suhu akan menghasilkan jelaga konduktif, bukan berlian yang bersifat isolatif. Memperkenalkan...oksigenterus menerus mengikis karbon non-berlian, memungkinkanberlian polikristalin berbutir besar pada suhu ~400 °C, suhu yang kompatibel dengan sirkuit terpadu canggih. Yang tak kalah penting, proses ini dapat melapisi tidak hanya permukaan horizontal tetapi jugadinding samping, yang penting untuk perangkat yang pada dasarnya berdesain 3D.

Hambatan batas termal (TBR): hambatan fonon

Panas dalam zat padat dibawa olehfonon(getaran kisi terkuantisasi). Pada antarmuka material, fonon dapat memantul dan menumpuk, menciptakanhambatan batas termal (TBR)Hal itu menghambat aliran panas. Rekayasa antarmuka bertujuan untuk menurunkan TBR, tetapi pilihannya terbatas oleh kompatibilitas semikonduktor. Pada antarmuka tertentu, pencampuran dapat membentuk lapisan tipis.silikon karbida (SiC)lapisan yang lebih sesuai dengan spektrum fonon di kedua sisi, bertindak sebagai "jembatan" dan mengurangi TBR—sehingga meningkatkan transfer panas dari perangkat ke berlian.

Platform pengujian: GaN HEMT (transistor frekuensi radio)

Transistor mobilitas elektron tinggi (HEMT) berbasis galium nitrida mengontrol arus dalam gas elektron 2D dan dihargai untuk operasi frekuensi tinggi dan daya tinggi (termasuk pita X ≈8–12 GHz dan pita W ≈75–110 GHz). Karena panas dihasilkan sangat dekat dengan permukaan, transistor ini merupakan alat ukur yang sangat baik untuk lapisan penyebar panas in-situ. Ketika berlian tipis menyelimuti perangkat—termasuk dinding samping—suhu saluran telah diamati turun.~70 °C, dengan peningkatan yang signifikan dalam ruang termal pada daya tinggi.

Berlian dalam CMOS dan tumpukan 3D

Dalam komputasi tingkat lanjut,Penumpukan 3DMeningkatkan kepadatan integrasi dan kinerja, tetapi menciptakan hambatan termal internal di mana pendingin eksternal tradisional paling tidak efektif. Mengintegrasikan berlian dengan silikon dapat menghasilkan manfaat yang lebih besar.lapisan antara SiC, menghasilkan antarmuka termal berkualitas tinggi.
Salah satu arsitektur yang diusulkan adalahperancah termal: lembaran berlian setipis nanometer yang tertanam di atas transistor di dalam dielektrik, dihubungkan olehvias termal vertikal (“pilar panas”)Terbuat dari tembaga atau tambahan berlian. Pilar-pilar ini meneruskan panas dari lapisan ke lapisan hingga mencapai pendingin eksternal. Simulasi dengan beban kerja realistis menunjukkan bahwa struktur seperti itu dapat mengurangi suhu puncak hinggahingga satu orde besarandalam tumpukan bukti konsep.

Yang masih sulit adalah

Tantangan utama meliputi pembuatan permukaan atas berlian.datar secara atomikuntuk integrasi yang mulus dengan interkoneksi dan dielektrik di atasnya, dan penyempurnaan proses sehingga film tipis mempertahankan konduktivitas termal yang sangat baik tanpa memberi tekanan pada sirkuit di bawahnya.

Pandangan

Jika pendekatan-pendekatan ini terus berkembang,penyebaran panas berlian di dalam chipdapat secara signifikan mengurangi batasan termal pada CMOS, RF, dan elektronika daya—memungkinkan kinerja yang lebih tinggi, keandalan yang lebih besar, dan integrasi 3D yang lebih padat tanpa penalti termal yang biasa terjadi.