ఆధునిక చిప్స్ ఎందుకు వేడిగా ఉంటాయి

నానోస్కేల్ ట్రాన్సిస్టర్లు గిగాహెర్ట్జ్ రేటుతో మారినప్పుడు, ఎలక్ట్రాన్లు సర్క్యూట్ల గుండా దూసుకుపోయి వేడి వలె శక్తిని కోల్పోతాయి - ల్యాప్‌టాప్ లేదా ఫోన్ అసౌకర్యంగా వేడెక్కినప్పుడు మీరు అనుభూతి చెందే అదే వేడి. చిప్‌లో ఎక్కువ ట్రాన్సిస్టర్‌లను ప్యాక్ చేయడం వల్ల ఆ వేడిని తొలగించడానికి తక్కువ స్థలం ఉంటుంది. సిలికాన్ ద్వారా సమానంగా వ్యాపించే బదులు, చుట్టుపక్కల ప్రాంతాల కంటే పదుల డిగ్రీల వేడిగా ఉండే హాట్‌స్పాట్‌లలోకి వేడి పేరుకుపోతుంది. నష్టం మరియు పనితీరు నష్టాన్ని నివారించడానికి, ఉష్ణోగ్రతలు పెరిగినప్పుడు సిస్టమ్‌లు CPUలు మరియు GPUలను థ్రోటిల్ చేస్తాయి.

థర్మల్ ఛాలెంజ్ యొక్క పరిధి

సూక్ష్మీకరించడానికి ఒక పోటీగా ప్రారంభమైన పోటీ ఇప్పుడు అన్ని ఎలక్ట్రానిక్స్‌లలో వేడితో యుద్ధంగా మారింది. కంప్యూటింగ్‌లో, పనితీరు శక్తి సాంద్రతను పెంచుతూనే ఉంటుంది (వ్యక్తిగత సర్వర్‌లు పదుల సంఖ్యలో కిలోవాట్ల క్రమాన్ని ఉపయోగించుకోవచ్చు). కమ్యూనికేషన్‌లలో, డిజిటల్ మరియు అనలాగ్ సర్క్యూట్‌లు రెండూ బలమైన సిగ్నల్‌లు మరియు వేగవంతమైన డేటా కోసం అధిక ట్రాన్సిస్టర్ శక్తిని కోరుతాయి. పవర్ ఎలక్ట్రానిక్స్‌లో, మెరుగైన సామర్థ్యం ఉష్ణ పరిమితుల ద్వారా ఎక్కువగా పరిమితం చేయబడుతుంది.

వేరే వ్యూహం: చిప్ లోపల వేడిని వ్యాప్తి చేయడం

వేడిని కేంద్రీకరించడానికి బదులుగా, ఒక ఆశాజనకమైన ఆలోచన ఏమిటంటేపలుచన చేయుఅది చిప్ లోనే ఉంటుంది—ఒక కప్పు వేడి నీటిని ఈత కొలనులోకి పోయడం లాంటిది. వేడి ఉత్పత్తి అయ్యే చోటే వ్యాపిస్తే, అత్యంత వేడిగా ఉండే పరికరాలు చల్లగా ఉంటాయి మరియు సాంప్రదాయ కూలర్లు (హీట్ సింక్‌లు, ఫ్యాన్‌లు, లిక్విడ్ లూప్‌లు) మరింత ప్రభావవంతంగా పనిచేస్తాయి. దీనికి ఒకఅధిక ఉష్ణ వాహకత, విద్యుత్ ఇన్సులేటింగ్ పదార్థంయాక్టివ్ ట్రాన్సిస్టర్‌ల నుండి నానోమీటర్‌లను మాత్రమే వాటి సున్నితమైన లక్షణాలకు భంగం కలిగించకుండా అనుసంధానించారు. ఊహించని అభ్యర్థి ఈ బిల్లుకు సరిపోతాడు:వజ్రం.

వజ్రం ఎందుకు?

వజ్రం అత్యుత్తమ ఉష్ణ వాహకాలలో ఒకటి - రాగి కంటే చాలా రెట్లు ఎక్కువ - అదే సమయంలో విద్యుత్ అవాహకం కూడా. క్యాచ్ ఏకీకరణ: సాంప్రదాయ వృద్ధి పద్ధతులకు 900–1000 °C చుట్టూ లేదా అంతకంటే ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రతలు అవసరం, ఇది అధునాతన సర్క్యూట్రీని దెబ్బతీస్తుంది. ఇటీవలి పురోగతులు సన్ననిబహుళస్ఫటికాకార వజ్రంఫిల్మ్‌లను (కొన్ని మైక్రోమీటర్ల మందం మాత్రమే) పెంచవచ్చుచాలా తక్కువ ఉష్ణోగ్రతలుపూర్తయిన పరికరాలకు అనుకూలం.

నేటి కూలర్లు మరియు వాటి పరిమితులు

ప్రధాన స్రవంతి శీతలీకరణ మెరుగైన హీట్ సింక్‌లు, ఫ్యాన్‌లు మరియు ఇంటర్‌ఫేస్ పదార్థాలపై దృష్టి పెడుతుంది. పరిశోధకులు మైక్రోఫ్లూయిడ్ లిక్విడ్ కూలింగ్, ఫేజ్-ఛేంజ్ మెటీరియల్‌లను మరియు థర్మల్ కండక్టివ్, ఎలక్ట్రికల్ ఇన్సులేటింగ్ లిక్విడ్‌లలో సర్వర్‌లను ముంచడం వంటి వాటిని కూడా అన్వేషిస్తారు. ఇవి ముఖ్యమైన దశలు, కానీ అవి స్థూలంగా, ఖరీదైనవిగా లేదా ఉద్భవిస్తున్న వాటికి సరిగ్గా సరిపోలకపోవచ్చు.3D-స్టాక్డ్చిప్ ఆర్కిటెక్చర్లు, ఇక్కడ బహుళ సిలికాన్ పొరలు "స్కైస్క్రాపర్" లాగా ప్రవర్తిస్తాయి. అటువంటి స్టాక్‌లలో, ప్రతి పొర వేడిని తగ్గించాలి; లేకపోతే హాట్‌స్పాట్‌లు లోపల చిక్కుకుపోతాయి.

పరికరానికి అనుకూలమైన వజ్రాన్ని ఎలా పెంచాలి

సింగిల్-క్రిస్టల్ డైమండ్ అసాధారణ ఉష్ణ వాహకతను కలిగి ఉంటుంది (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, రాగి కంటే దాదాపు ఆరు రెట్లు). సులభంగా తయారు చేయగల పాలీక్రిస్టలైన్ ఫిల్మ్‌లు తగినంత మందంగా ఉన్నప్పుడు ఈ విలువలను చేరుకోగలవు - మరియు సన్నగా ఉన్నప్పుడు కూడా రాగి కంటే మెరుగ్గా ఉంటాయి. సాంప్రదాయ రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణ అధిక ఉష్ణోగ్రత వద్ద మీథేన్ మరియు హైడ్రోజన్‌తో చర్య జరుపుతుంది, నిలువు వజ్రాల నానోస్తంభాలను ఏర్పరుస్తుంది, ఇవి తరువాత ఒక ఫిల్మ్‌లో విలీనం అవుతాయి; అప్పటికి పొర మందంగా, ఒత్తిడికి గురై, పగుళ్లకు గురయ్యే అవకాశం ఉంది.
తక్కువ-ఉష్ణోగ్రత పెరుగుదలకు వేరే వంటకం అవసరం. వేడిని తగ్గించడం వల్ల వజ్రాన్ని ఇన్సులేట్ చేయడానికి బదులుగా వాహక మసి లభిస్తుంది. పరిచయం చేస్తోందిఆక్సిజన్నిరంతరం వజ్రం కాని కార్బన్‌ను చెక్కుతుంది, వీలు కల్పిస్తుంది~400 °C వద్ద పెద్ద-ధాన్యం పాలీక్రిస్టలైన్ వజ్రం, అధునాతన ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్‌లకు అనుకూలమైన ఉష్ణోగ్రత. అంతే ముఖ్యమైనది, ఈ ప్రక్రియ క్షితిజ సమాంతర ఉపరితలాలను మాత్రమే కాకుండాపక్కగోడలు, ఇది అంతర్గతంగా 3D పరికరాలకు ముఖ్యమైనది.

ఉష్ణ సరిహద్దు నిరోధకత (TBR): ఫోనాన్ అడ్డంకి

ఘనపదార్థాలలో వేడిని దీని ద్వారా తీసుకువెళతారుఫోనాన్లు(క్వాంటైజ్డ్ లాటిస్ వైబ్రేషన్స్). పదార్థ ఇంటర్‌ఫేస్‌లలో, ఫోనాన్లు ప్రతిబింబిస్తాయి మరియు పోగుపడతాయి, సృష్టిస్తాయిఉష్ణ సరిహద్దు నిరోధకత (TBR)ఇది ఉష్ణ ప్రవాహాన్ని అడ్డుకుంటుంది. ఇంటర్‌ఫేస్ ఇంజనీరింగ్ TBRని తగ్గించడానికి ప్రయత్నిస్తుంది, కానీ ఎంపికలు సెమీకండక్టర్ అనుకూలత ద్వారా పరిమితం చేయబడ్డాయి. కొన్ని ఇంటర్‌ఫేస్‌లలో, ఇంటర్‌మిక్సింగ్ ఒక సన్ననిసిలికాన్ కార్బైడ్ (SiC)రెండు వైపులా ఫోనాన్ స్పెక్ట్రాను బాగా సరిపోల్చే పొర, "వంతెన"గా పనిచేస్తుంది మరియు TBRని తగ్గిస్తుంది - తద్వారా పరికరాల నుండి వజ్రంలోకి ఉష్ణ బదిలీని మెరుగుపరుస్తుంది.

ఒక టెస్ట్‌బెడ్: GaN HEMTలు (రేడియో-ఫ్రీక్వెన్సీ ట్రాన్సిస్టర్‌లు)

2D ఎలక్ట్రాన్ వాయువులో గాలియం నైట్రైడ్ నియంత్రణ కరెంట్ ఆధారంగా హై-ఎలక్ట్రాన్-మొబిలిటీ ట్రాన్సిస్టర్లు (HEMTలు) మరియు అధిక-ఫ్రీక్వెన్సీ, అధిక-శక్తి ఆపరేషన్ (X-బ్యాండ్ ≈8–12 GHz మరియు W-బ్యాండ్ ≈75–110 GHzతో సహా) కోసం విలువైనవి. ఉపరితలం దగ్గర వేడి ఉత్పత్తి అవుతుంది కాబట్టి, అవి ఏదైనా ఇన్-సిటు హీట్-స్ప్రెడింగ్ పొర యొక్క అద్భుతమైన ప్రోబ్. సన్నని వజ్రం పరికరాన్ని - సైడ్‌వాల్‌లతో సహా - కప్పినప్పుడు ఛానల్ ఉష్ణోగ్రతలు తగ్గడం గమనించబడింది~70°C, అధిక శక్తి వద్ద థర్మల్ హెడ్‌రూమ్‌లో గణనీయమైన మెరుగుదలలతో.

CMOS మరియు 3D స్టాక్‌లలో డైమండ్

అధునాతన కంప్యూటింగ్‌లో,3D స్టాకింగ్ఇంటిగ్రేషన్ సాంద్రత మరియు పనితీరును పెంచుతుంది కానీ సాంప్రదాయ, బాహ్య కూలర్లు తక్కువ ప్రభావవంతంగా ఉన్న అంతర్గత ఉష్ణ అడ్డంకులను సృష్టిస్తుంది. వజ్రాన్ని సిలికాన్‌తో అనుసంధానించడం వల్ల మళ్ళీ ప్రయోజనకరమైన ఉత్పత్తి లభిస్తుంది.SiC ఇంటర్లేయర్, అధిక-నాణ్యత థర్మల్ ఇంటర్‌ఫేస్‌ను అందిస్తుంది.
ప్రతిపాదిత నిర్మాణం ఒకటిథర్మల్ స్కాఫోల్డ్: డైఎలెక్ట్రిక్ లోపల ట్రాన్సిస్టర్‌ల పైన పొందుపరచబడిన నానోమీటర్-సన్నని డైమండ్ షీట్‌లు, దీని ద్వారా అనుసంధానించబడి ఉంటాయినిలువు ఉష్ణ వియాస్ ("వేడి స్తంభాలు")రాగి లేదా అదనపు వజ్రంతో తయారు చేయబడింది. ఈ స్తంభాలు బాహ్య కూలర్‌ను చేరే వరకు పొర నుండి పొరకు వేడిని పంపుతాయి. వాస్తవిక పనిభారాలతో కూడిన అనుకరణలు అటువంటి నిర్మాణాలు గరిష్ట ఉష్ణోగ్రతలను తగ్గించగలవని చూపిస్తున్నాయి.పరిమాణం ప్రకారంప్రూఫ్-ఆఫ్-కాన్సెప్ట్ స్టాక్‌లలో.

ఏది కష్టంగా మిగిలి ఉంది?

వజ్రం పైభాగాన్ని తయారు చేయడంలో ముఖ్యమైన సవాళ్లు ఉన్నాయి.పరమాణుపరంగా చదునుగాఓవర్‌లైయింగ్ ఇంటర్‌కనెక్ట్‌లు మరియు డైఎలెక్ట్రిక్స్‌తో సజావుగా ఏకీకరణ మరియు శుద్ధి ప్రక్రియల కోసం, తద్వారా సన్నని ఫిల్మ్‌లు అంతర్లీన సర్క్యూట్రీని ఒత్తిడి చేయకుండా అద్భుతమైన ఉష్ణ వాహకతను నిర్వహిస్తాయి.

ఔట్లుక్

ఈ విధానాలు పరిణతి చెందుతూ ఉంటే,ఇన్-చిప్ డైమండ్ హీట్ స్ప్రెడింగ్CMOS, RF మరియు పవర్ ఎలక్ట్రానిక్స్‌లో ఉష్ణ పరిమితులను గణనీయంగా సడలించగలదు - సాధారణ ఉష్ణ జరిమానాలు లేకుండా అధిక పనితీరు, ఎక్కువ విశ్వసనీయత మరియు దట్టమైన 3D ఏకీకరణను అనుమతిస్తుంది.