આધુનિક ચિપ્સ કેમ ગરમ થાય છે

જેમ જેમ નેનોસ્કેલ ટ્રાન્ઝિસ્ટર ગીગાહર્ટ્ઝ દરે સ્વિચ થાય છે, તેમ ઇલેક્ટ્રોન સર્કિટમાંથી પસાર થાય છે અને ગરમી તરીકે ઉર્જા ગુમાવે છે - લેપટોપ અથવા ફોન અસ્વસ્થતાપૂર્વક ગરમ થાય ત્યારે તમને જે ગરમી લાગે છે તે જ ગરમી. ચિપ પર વધુ ટ્રાન્ઝિસ્ટર પેક કરવાથી તે ગરમી દૂર કરવા માટે ઓછી જગ્યા રહે છે. સિલિકોન દ્વારા સમાનરૂપે ફેલાવાને બદલે, ગરમી હોટસ્પોટ્સમાં એકઠી થાય છે જે આસપાસના પ્રદેશો કરતા દસ ડિગ્રી વધુ ગરમ હોઈ શકે છે. નુકસાન અને કામગીરીમાં ઘટાડો ટાળવા માટે, જ્યારે તાપમાન વધે છે ત્યારે સિસ્ટમ્સ CPU અને GPU ને થ્રોટલ કરે છે.

થર્મલ ચેલેન્જનો અવકાશ

લઘુચિત્ર બનાવવાની સ્પર્ધા તરીકે જે શરૂ થયું હતું તે હવે બધા ઇલેક્ટ્રોનિક્સમાં ગરમી સાથેની લડાઈ બની ગયું છે. કમ્પ્યુટિંગમાં, કામગીરી પાવર ડેન્સિટીને વધારે દબાણ કરતી રહે છે (વ્યક્તિગત સર્વર્સ દસ કિલોવોટના ક્રમમાં ખેંચી શકે છે). સંદેશાવ્યવહારમાં, ડિજિટલ અને એનાલોગ સર્કિટ બંને મજબૂત સિગ્નલો અને ઝડપી ડેટા માટે વધુ ટ્રાન્ઝિસ્ટર પાવરની માંગ કરે છે. પાવર ઇલેક્ટ્રોનિક્સમાં, થર્મલ મર્યાદાઓ દ્વારા વધુ સારી કાર્યક્ષમતા વધુને વધુ મર્યાદિત થઈ રહી છે.

એક અલગ વ્યૂહરચના: ચિપની અંદર ગરમી ફેલાવો

ગરમીને કેન્દ્રિત થવા દેવાને બદલે, એક આશાસ્પદ વિચાર એ છે કેપાતળું કરવુંતે ચિપની અંદર જ છે - જેમ કે સ્વિમિંગ પૂલમાં ઉકળતા પાણીનો કપ રેડવો. જો ગરમી ઉત્પન્ન થાય ત્યાં જ ફેલાવવામાં આવે, તો સૌથી ગરમ ઉપકરણો ઠંડા રહે છે અને પરંપરાગત કુલર (હીટ સિંક, પંખા, લિક્વિડ લૂપ્સ) વધુ અસરકારક રીતે કાર્ય કરે છે. આ માટેઉચ્ચ-ઉષ્મીય-વાહકતા, વિદ્યુત-અવાહક સામગ્રીસક્રિય ટ્રાન્ઝિસ્ટરમાંથી તેમના નાજુક ગુણધર્મોને ખલેલ પહોંચાડ્યા વિના ફક્ત નેનોમીટરનું સંકલન. એક અણધાર્યો ઉમેદવાર આ બિલમાં બંધબેસે છે:હીરા.

હીરા કેમ?

હીરા જાણીતા શ્રેષ્ઠ થર્મલ વાહકોમાંનો એક છે - તાંબા કરતાં અનેક ગણો વધારે - જ્યારે તે વિદ્યુત અવાહક પણ છે. મુખ્ય વસ્તુ એકીકરણ છે: પરંપરાગત વૃદ્ધિ પદ્ધતિઓ માટે 900-1000 °C ની આસપાસ અથવા તેનાથી વધુ તાપમાનની જરૂર પડે છે, જે અદ્યતન સર્કિટરીને નુકસાન પહોંચાડે છે. તાજેતરના વિકાસ દર્શાવે છે કે પાતળાબહુસ્ફટિકીય હીરાફિલ્મો (માત્ર થોડા માઇક્રોમીટર જાડા) ઉગાડી શકાય છેઘણું ઓછું તાપમાનતૈયાર ઉપકરણો માટે યોગ્ય.

આજના કુલર અને તેમની મર્યાદાઓ

મુખ્ય પ્રવાહનું ઠંડક વધુ સારા હીટ સિંક, પંખા અને ઇન્ટરફેસ મટિરિયલ્સ પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે. સંશોધકો માઇક્રોફ્લુઇડિક લિક્વિડ કૂલિંગ, ફેઝ-ચેન્જ મટિરિયલ્સ અને થર્મલી વાહક, ઇલેક્ટ્રિકલી ઇન્સ્યુલેટીંગ લિક્વિડ્સમાં ડૂબકી આપનારા સર્વર્સનું પણ અન્વેષણ કરે છે. આ મહત્વપૂર્ણ પગલાં છે, પરંતુ તે ભારે, ખર્ચાળ અથવા ઉભરતા સાથે ખરાબ રીતે મેળ ખાતા હોઈ શકે છે.3D-સ્ટેક્ડચિપ આર્કિટેક્ચર, જ્યાં બહુવિધ સિલિકોન સ્તરો "ગગનચુંબી ઇમારત" ની જેમ વર્તે છે. આવા સ્ટેક્સમાં, દરેક સ્તર ગરમી છોડે છે; નહીં તો હોટસ્પોટ્સ અંદર ફસાઈ જાય છે.

ઉપકરણ-મૈત્રીપૂર્ણ હીરા કેવી રીતે ઉગાડવા

સિંગલ-ક્રિસ્ટલ હીરામાં અસાધારણ થર્મલ વાહકતા હોય છે (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, તાંબા કરતા લગભગ છ ગણી). સરળતાથી બનાવી શકાય તેવી પોલીક્રિસ્ટલાઇન ફિલ્મ પૂરતી જાડી હોય ત્યારે આ મૂલ્યો સુધી પહોંચી શકે છે - અને પાતળી હોય ત્યારે પણ તે તાંબા કરતા શ્રેષ્ઠ હોય છે. પરંપરાગત રાસાયણિક વરાળ નિક્ષેપ ઊંચા તાપમાને મિથેન અને હાઇડ્રોજનની પ્રતિક્રિયા આપે છે, જે ઊભી હીરા નેનોકોલમ બનાવે છે જે પાછળથી ફિલ્મમાં ભળી જાય છે; ત્યાં સુધીમાં સ્તર જાડું, તણાવગ્રસ્ત અને તિરાડ પડવાની સંભાવના ધરાવતું હોય છે.
નીચા તાપમાને વૃદ્ધિ માટે એક અલગ રેસીપીની જરૂર પડે છે. ફક્ત ગરમી ઓછી કરવાથી હીરાને ઇન્સ્યુલેટ કરવાને બદલે વાહક સૂટ ઉત્પન્ન થાય છે. પરિચયઓક્સિજનસતત બિન-હીરા કાર્બનને ખોદકામ કરે છે, સક્ષમ બનાવે છે~400 °C તાપમાને મોટા દાણાવાળા બહુસ્ફટિકીય હીરા, અદ્યતન સંકલિત સર્કિટ સાથે સુસંગત તાપમાન. એટલું જ મહત્વનું છે કે, પ્રક્રિયા ફક્ત આડી સપાટીઓને જ નહીં પણબાજુની દિવાલો, જે સ્વાભાવિક રીતે 3D ઉપકરણો માટે મહત્વપૂર્ણ છે.

થર્મલ બાઉન્ડ્રી રેઝિસ્ટન્સ (TBR): ફોનોન બોટનેક

ઘન પદાર્થોમાં ગરમીનું વહન થાય છેફોનોન્સ(ક્વોન્ટાઇઝ્ડ લેટીસ સ્પંદનો). મટીરીયલ ઇન્ટરફેસ પર, ફોનોન્સ પ્રતિબિંબિત કરી શકે છે અને ઢગલા કરી શકે છે, જેનાથીથર્મલ બાઉન્ડ્રી રેઝિસ્ટન્સ (TBR)જે ગરમીના પ્રવાહને અવરોધે છે. ઇન્ટરફેસ એન્જિનિયરિંગ TBR ઘટાડવાનો પ્રયાસ કરે છે, પરંતુ સેમિકન્ડક્ટર સુસંગતતા દ્વારા પસંદગીઓ મર્યાદિત છે. ચોક્કસ ઇન્ટરફેસ પર, ઇન્ટરમિક્સિંગ પાતળાસિલિકોન કાર્બાઇડ (SiC)બંને બાજુ ફોનોન સ્પેક્ટ્રા સાથે વધુ સારી રીતે મેળ ખાતું સ્તર, "પુલ" તરીકે કામ કરે છે અને TBR ઘટાડે છે - આમ ઉપકરણોમાંથી હીરામાં ગરમીના સ્થાનાંતરણમાં સુધારો થાય છે.

ટેસ્ટબેડ: GaN HEMTs (રેડિયો-ફ્રિકવન્સી ટ્રાન્ઝિસ્ટર)

2D ઇલેક્ટ્રોન ગેસમાં ગેલિયમ નાઇટ્રાઇડ નિયંત્રણ પ્રવાહ પર આધારિત હાઇ-ઇલેક્ટ્રોન-મોબિલિટી ટ્રાન્ઝિસ્ટર (HEMTs) અને ઉચ્ચ-આવર્તન, ઉચ્ચ-શક્તિ કામગીરી (X-બેન્ડ ≈8–12 GHz અને W-બેન્ડ ≈75–110 GHz સહિત) માટે મૂલ્યવાન છે. કારણ કે ગરમી સપાટીની ખૂબ નજીક ઉત્પન્ન થાય છે, તે કોઈપણ ઇન-સીટુ હીટ-સ્પ્રેડિંગ લેયર માટે ઉત્તમ પ્રોબ છે. જ્યારે પાતળા હીરા ઉપકરણને સમાવી લે છે - સાઇડવોલ્સ સહિત - ચેનલના તાપમાનમાં ઘટાડો જોવા મળ્યો છે.~૭૦ °સે, ઉચ્ચ શક્તિ પર થર્મલ હેડરૂમમાં નોંધપાત્ર સુધારા સાથે.

CMOS અને 3D સ્ટેક્સમાં ડાયમંડ

એડવાન્સ્ડ કમ્પ્યુટિંગમાં,3D સ્ટેકીંગએકીકરણ ઘનતા અને કામગીરીમાં વધારો કરે છે પરંતુ આંતરિક થર્મલ અવરોધો બનાવે છે જ્યાં પરંપરાગત, બાહ્ય કૂલર ઓછામાં ઓછા અસરકારક હોય છે. સિલિકોન સાથે હીરાનું સંકલન ફરીથી ફાયદાકારક ઉત્પાદન કરી શકે છેSiC ઇન્ટરલેયર, ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળા થર્મલ ઇન્ટરફેસ આપે છે.
એક પ્રસ્તાવિત સ્થાપત્ય એ છે કેથર્મલ સ્કેફોલ્ડ: ડાઇલેક્ટ્રિકની અંદર ટ્રાન્ઝિસ્ટર ઉપર જડિત નેનોમીટર-પાતળી હીરાની ચાદર, દ્વારા જોડાયેલવર્ટિકલ થર્મલ વિયાસ ("હીટ પિલર્સ")તાંબા અથવા વધારાના હીરાથી બનેલા. આ સ્તંભો બાહ્ય કૂલર સુધી પહોંચે ત્યાં સુધી ગરમીને સ્તરથી સ્તર સુધી પસાર કરે છે. વાસ્તવિક વર્કલોડ સાથેના સિમ્યુલેશન દર્શાવે છે કે આવી રચનાઓ ટોચના તાપમાનને ઘટાડી શકે છેતીવ્રતાના ક્રમ સુધીખ્યાલના પુરાવાના સ્ટેક્સમાં.

શું મુશ્કેલ રહે છે

મુખ્ય પડકારોમાં હીરાની ટોચની સપાટી બનાવવાનો સમાવેશ થાય છેપરમાણુ રીતે સપાટઓવરલાઈંગ ઇન્ટરકનેક્ટ્સ અને ડાઇલેક્ટ્રિક્સ સાથે સીમલેસ એકીકરણ માટે, અને રિફાઇનિંગ પ્રક્રિયાઓ માટે જેથી પાતળી ફિલ્મો અંતર્ગત સર્કિટરી પર ભાર મૂક્યા વિના ઉત્તમ થર્મલ વાહકતા જાળવી રાખે.

આઉટલુક

જો આ અભિગમો પરિપક્વ થતા રહે,ઇન-ચિપ ડાયમંડ હીટ સ્પ્રેડિંગCMOS, RF અને પાવર ઇલેક્ટ્રોનિક્સમાં થર્મલ મર્યાદાઓને નોંધપાત્ર રીતે હળવી કરી શકે છે - જે સામાન્ય થર્મલ પેનલ્ટી વિના ઉચ્ચ પ્રદર્શન, વધુ વિશ્વસનીયતા અને ગાઢ 3D એકીકરણને મંજૂરી આપે છે.