ആധുനിക ചിപ്പുകൾ ചൂടാകുന്നതിന്റെ കാരണങ്ങൾ

നാനോസ്കെയിൽ ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ ഗിഗാഹെർട്സ് നിരക്കിൽ മാറുമ്പോൾ, ഇലക്ട്രോണുകൾ സർക്യൂട്ടുകളിലൂടെ പാഞ്ഞുപോകുകയും താപം പോലെ ഊർജ്ജം നഷ്ടപ്പെടുകയും ചെയ്യുന്നു - ഒരു ലാപ്‌ടോപ്പോ ഫോണോ അസ്വസ്ഥമായി ചൂടാകുമ്പോൾ നിങ്ങൾക്ക് അനുഭവപ്പെടുന്ന അതേ ചൂട്. കൂടുതൽ ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ ഒരു ചിപ്പിൽ പാക്ക് ചെയ്യുന്നത് ആ താപം നീക്കം ചെയ്യാൻ കുറച്ച് സ്ഥലം നൽകുന്നു. സിലിക്കണിലൂടെ തുല്യമായി വ്യാപിക്കുന്നതിനുപകരം, ചുറ്റുമുള്ള പ്രദേശങ്ങളെ അപേക്ഷിച്ച് പത്ത് ഡിഗ്രി ചൂടുള്ള ഹോട്ട്‌സ്‌പോട്ടുകളിലേക്ക് താപം അടിഞ്ഞുകൂടുന്നു. കേടുപാടുകളും പ്രകടന നഷ്ടവും ഒഴിവാക്കാൻ, താപനില ഉയരുമ്പോൾ സിസ്റ്റങ്ങൾ CPU-കളും GPU-കളും ത്രോട്ടിൽ ചെയ്യുന്നു.

താപ വെല്ലുവിളിയുടെ വ്യാപ്തി

ചെറുതാക്കാനുള്ള മത്സരം എല്ലാ ഇലക്ട്രോണിക്സിലും താപത്തിനെതിരായ പോരാട്ടമായി മാറിയിരിക്കുന്നു. കമ്പ്യൂട്ടിംഗിൽ, പ്രകടനം പവർ ഡെൻസിറ്റി വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നു (വ്യക്തിഗത സെർവറുകൾക്ക് പതിനായിരക്കണക്കിന് കിലോവാട്ട് വരെ ഉപയോഗിക്കാം). ആശയവിനിമയത്തിൽ, ഡിജിറ്റൽ, അനലോഗ് സർക്യൂട്ടുകൾക്ക് ശക്തമായ സിഗ്നലുകൾക്കും വേഗതയേറിയ ഡാറ്റയ്ക്കും ഉയർന്ന ട്രാൻസിസ്റ്റർ പവർ ആവശ്യമാണ്. പവർ ഇലക്ട്രോണിക്സിൽ, താപ നിയന്ത്രണങ്ങൾ കാരണം മെച്ചപ്പെട്ട കാര്യക്ഷമത കൂടുതലായി പരിമിതപ്പെടുത്തുന്നു.

വ്യത്യസ്തമായ ഒരു തന്ത്രം: ചിപ്പിനുള്ളിൽ ചൂട് വ്യാപിപ്പിക്കുക

താപം കേന്ദ്രീകരിക്കാൻ അനുവദിക്കുന്നതിനുപകരം, ഒരു പ്രതീക്ഷ നൽകുന്ന ആശയം ഇതാണ്നേർപ്പിക്കുകചിപ്പിനുള്ളിൽ തന്നെ അത് പ്രവർത്തിക്കുന്നു—ഒരു കപ്പ് തിളച്ച വെള്ളം നീന്തൽക്കുളത്തിലേക്ക് ഒഴിക്കുന്നത് പോലെ. ചൂട് ഉത്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്നിടത്ത് തന്നെ ചൂട് വ്യാപിക്കുകയാണെങ്കിൽ, ഏറ്റവും ചൂടേറിയ ഉപകരണങ്ങൾ കൂടുതൽ തണുപ്പായി തുടരും, പരമ്പരാഗത കൂളറുകൾ (ഹീറ്റ് സിങ്കുകൾ, ഫാനുകൾ, ലിക്വിഡ് ലൂപ്പുകൾ) കൂടുതൽ ഫലപ്രദമായി പ്രവർത്തിക്കും. ഇതിന് ഒരുഉയർന്ന താപ ചാലകത, വൈദ്യുത ഇൻസുലേറ്റിംഗ് വസ്തുസജീവ ട്രാൻസിസ്റ്ററുകളുടെ സൂക്ഷ്മ ഗുണങ്ങളെ ബാധിക്കാതെ അവയിൽ നിന്ന് നാനോമീറ്ററുകൾ മാത്രം സംയോജിപ്പിച്ചു. അപ്രതീക്ഷിതമായ ഒരു സ്ഥാനാർത്ഥി ഈ ബില്ലിന് അനുയോജ്യമാണ്:വജ്രം.

എന്തുകൊണ്ട് വജ്രം?

അറിയപ്പെടുന്നതിൽ വച്ച് ഏറ്റവും മികച്ച താപചാലകങ്ങളിൽ ഒന്നാണ് വജ്രം - ചെമ്പിനേക്കാൾ പലമടങ്ങ് ഉയർന്നത് - അതേസമയം ഒരു വൈദ്യുത ഇൻസുലേറ്ററും കൂടിയാണ്. ഇതിന്റെ പ്രധാന ആകർഷണം സംയോജനമാണ്: പരമ്പരാഗത വളർച്ചാ രീതികൾക്ക് 900–1000 °C അല്ലെങ്കിൽ അതിൽ കൂടുതലുള്ള താപനില ആവശ്യമാണ്, ഇത് വിപുലമായ സർക്യൂട്ടറിയെ നശിപ്പിക്കും. സമീപകാല പുരോഗതികൾ കാണിക്കുന്നത് നേർത്തപോളിക്രിസ്റ്റലിൻ വജ്രംഫിലിമുകൾ (കുറച്ച് മൈക്രോമീറ്റർ മാത്രം കട്ടിയുള്ളത്) വളർത്താംവളരെ കുറഞ്ഞ താപനിലപൂർത്തിയായ ഉപകരണങ്ങൾക്ക് അനുയോജ്യം.

ഇന്നത്തെ കൂളറുകളും അവയുടെ പരിധികളും

മുഖ്യധാരാ കൂളിംഗ് മികച്ച ഹീറ്റ് സിങ്കുകൾ, ഫാനുകൾ, ഇന്റർഫേസ് മെറ്റീരിയലുകൾ എന്നിവയിൽ ശ്രദ്ധ കേന്ദ്രീകരിക്കുന്നു. മൈക്രോഫ്ലൂയിഡിക് ലിക്വിഡ് കൂളിംഗ്, ഫേസ്-ചേഞ്ച് മെറ്റീരിയലുകൾ, താപചാലകവും വൈദ്യുത ഇൻസുലേറ്റിംഗ് ദ്രാവകങ്ങളിൽ സെർവറുകളെ മുക്കിവയ്ക്കൽ എന്നിവയും ഗവേഷകർ പര്യവേക്ഷണം ചെയ്യുന്നു. ഇവ പ്രധാനപ്പെട്ട ഘട്ടങ്ങളാണ്, പക്ഷേ അവ വലുതോ ചെലവേറിയതോ ഉയർന്നുവരുന്നവയുമായി പൊരുത്തപ്പെടാത്തതോ ആകാം.3D-സ്റ്റാക്ക്ഡ്ചിപ്പ് ആർക്കിടെക്ചറുകളിൽ, ഒന്നിലധികം സിലിക്കൺ പാളികൾ ഒരു "സ്കൈസ്ക്രാപ്പർ" പോലെ പ്രവർത്തിക്കുന്നു. അത്തരം സ്റ്റാക്കുകളിൽ, ഓരോ പാളിയും ചൂട് ചൊരിയണം; അല്ലാത്തപക്ഷം ഹോട്ട്‌സ്‌പോട്ടുകൾ ഉള്ളിൽ കുടുങ്ങിക്കിടക്കും.

ഉപകരണങ്ങൾക്ക് അനുയോജ്യമായ വജ്രം എങ്ങനെ വളർത്താം

സിംഗിൾ-ക്രിസ്റ്റൽ വജ്രത്തിന് അസാധാരണമായ താപ ചാലകതയുണ്ട് (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, ചെമ്പിന്റെ ആറ് മടങ്ങ്). എളുപ്പത്തിൽ നിർമ്മിക്കാവുന്ന പോളിക്രിസ്റ്റലിൻ ഫിലിമുകൾക്ക് ആവശ്യത്തിന് കട്ടിയുള്ളപ്പോൾ ഈ മൂല്യങ്ങളെ സമീപിക്കാൻ കഴിയും - നേർത്തതായിരിക്കുമ്പോൾ പോലും അവ ചെമ്പിനെക്കാൾ മികച്ചതാണ്. പരമ്പരാഗത രാസ നീരാവി നിക്ഷേപം ഉയർന്ന താപനിലയിൽ മീഥെയ്നും ഹൈഡ്രജനും പ്രതിപ്രവർത്തിച്ച് ലംബമായ വജ്ര നാനോകോളങ്ങൾ രൂപപ്പെടുത്തുന്നു, അത് പിന്നീട് ഒരു ഫിലിമായി ലയിക്കുന്നു; അപ്പോഴേക്കും പാളി കട്ടിയുള്ളതും, സമ്മർദ്ദമുള്ളതും, വിള്ളലിന് സാധ്യതയുള്ളതുമായിരിക്കും.
താഴ്ന്ന താപനിലയിലുള്ള വളർച്ചയ്ക്ക് വ്യത്യസ്തമായ ഒരു പാചകക്കുറിപ്പ് ആവശ്യമാണ്. ചൂട് കുറയ്ക്കുന്നതിലൂടെ വജ്രത്തെ ഇൻസുലേറ്റ് ചെയ്യുന്നതിന് പകരം ചാലകമായ മണം ലഭിക്കും.ഓക്സിജൻവജ്രമല്ലാത്ത കാർബൺ തുടർച്ചയായി കൊത്തിവയ്ക്കുന്നു, ഇത് പ്രാപ്തമാക്കുന്നു~400 °C താപനിലയിൽ വലിയ ധാന്യ പോളിക്രിസ്റ്റലിൻ വജ്രം, അഡ്വാൻസ്ഡ് ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ടുകളുമായി പൊരുത്തപ്പെടുന്ന താപനില. അതുപോലെ തന്നെ പ്രധാനമായി, ഈ പ്രക്രിയയ്ക്ക് തിരശ്ചീന പ്രതലങ്ങളെ മാത്രമല്ല,പാർശ്വഭിത്തികൾ, ഇത് സ്വാഭാവികമായി 3D ഉപകരണങ്ങൾക്ക് പ്രധാനമാണ്.

താപ അതിർത്തി പ്രതിരോധം (TBR): ഫോണോൺ തടസ്സം

ഖരവസ്തുക്കളിൽ താപം വഹിക്കുന്നത്ഫോണോൺസ്(ക്വാണ്ടൈസ്ഡ് ലാറ്റിസ് വൈബ്രേഷനുകൾ). മെറ്റീരിയൽ ഇന്റർഫേസുകളിൽ, ഫോണോണുകൾക്ക് പ്രതിഫലിപ്പിക്കാനും അടിഞ്ഞുകൂടാനും കഴിയും, അങ്ങനെതാപ അതിർത്തി പ്രതിരോധം (TBR)അത് താപപ്രവാഹത്തെ തടസ്സപ്പെടുത്തുന്നു. ഇന്റർഫേസ് എഞ്ചിനീയറിംഗ് TBR കുറയ്ക്കാൻ ശ്രമിക്കുന്നു, പക്ഷേ സെമികണ്ടക്ടർ അനുയോജ്യതയാൽ തിരഞ്ഞെടുപ്പുകൾ പരിമിതപ്പെടുത്തിയിരിക്കുന്നു. ചില ഇന്റർഫേസുകളിൽ, ഇന്റർമിക്സിംഗ് ഒരു നേർത്തസിലിക്കൺ കാർബൈഡ് (SiC)ഇരുവശത്തുമുള്ള ഫോണോൺ സ്പെക്ട്രയുമായി നന്നായി പൊരുത്തപ്പെടുന്ന ഒരു പാളി, ഒരു "പാലം" ആയി പ്രവർത്തിക്കുകയും TBR കുറയ്ക്കുകയും ചെയ്യുന്നു - അങ്ങനെ ഉപകരണങ്ങളിൽ നിന്ന് വജ്രത്തിലേക്കുള്ള താപ കൈമാറ്റം മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നു.

ഒരു പരീക്ഷണശാല: GaN HEMT-കൾ (റേഡിയോ-ഫ്രീക്വൻസി ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ)

2D ഇലക്ട്രോൺ വാതകത്തിലെ ഗാലിയം നൈട്രൈഡ് നിയന്ത്രണ വൈദ്യുതധാരയെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള ഹൈ-ഇലക്ട്രോൺ-മൊബിലിറ്റി ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ (HEMT-കൾ), ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി, ഉയർന്ന പവർ പ്രവർത്തനം (X-ബാൻഡ് ≈8–12 GHz, W-ബാൻഡ് ≈75–110 GHz എന്നിവയുൾപ്പെടെ) എന്നിവയ്ക്ക് ഇവ വിലമതിക്കപ്പെടുന്നു. ഉപരിതലത്തിന് വളരെ അടുത്തായി താപം ഉൽ‌പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്നതിനാൽ, ഇൻ-സിറ്റു ഹീറ്റ്-പ്രചരിക്കുന്ന ഏതൊരു പാളിയുടെയും മികച്ച അന്വേഷണമാണ് അവ. നേർത്ത വജ്രം ഉപകരണത്തെ - വശങ്ങളിലെ ഭിത്തികൾ ഉൾപ്പെടെ - ഉൾക്കൊള്ളുമ്പോൾ - ചാനൽ താപനില കുറയുന്നത് നിരീക്ഷിക്കപ്പെട്ടിട്ടുണ്ട്.~70°C, ഉയർന്ന പവറിൽ തെർമൽ ഹെഡ്‌റൂമിൽ ഗണ്യമായ പുരോഗതിയോടെ.

CMOS, 3D സ്റ്റാക്കുകളിലെ വജ്രം

അഡ്വാൻസ്ഡ് കമ്പ്യൂട്ടിംഗിൽ,3D സ്റ്റാക്കിംഗ്ഇന്റഗ്രേഷൻ ഡെൻസിറ്റിയും പ്രകടനവും വർദ്ധിപ്പിക്കുമെങ്കിലും പരമ്പരാഗത, ബാഹ്യ കൂളറുകൾ ഫലപ്രദമല്ലാത്ത ആന്തരിക താപ തടസ്സങ്ങൾ സൃഷ്ടിക്കുന്നു. വജ്രം സിലിക്കണുമായി സംയോജിപ്പിക്കുന്നത് വീണ്ടും ഗുണകരമായ ഒരു ഫലം നൽകും.SiC ഇന്റർലെയർ, ഉയർന്ന നിലവാരമുള്ള ഒരു തെർമൽ ഇന്റർഫേസ് നൽകുന്നു.
നിർദ്ദേശിക്കപ്പെട്ട ഒരു വാസ്തുവിദ്യ ഒരുതെർമൽ സ്കാഫോൾഡ്: ഡൈഇലക്‌ട്രിക്കിനുള്ളിലെ ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾക്ക് മുകളിൽ ഉൾച്ചേർത്ത നാനോമീറ്റർ-നേർത്ത ഡയമണ്ട് ഷീറ്റുകൾ,ലംബ താപ വ്യാസ് ("താപ തൂണുകൾ")ചെമ്പ് അല്ലെങ്കിൽ അധിക വജ്രം കൊണ്ടാണ് നിർമ്മിച്ചിരിക്കുന്നത്. ഈ തൂണുകൾ ഒരു പാളിയിൽ നിന്ന് മറ്റൊന്നിലേക്ക് ചൂട് കടത്തിവിടുന്നത് ഒരു ബാഹ്യ കൂളറിൽ എത്തുന്നതുവരെ സാധ്യമാണ്. യഥാർത്ഥ ജോലിഭാരമുള്ള സിമുലേഷനുകൾ കാണിക്കുന്നത് അത്തരം ഘടനകൾക്ക് പീക്ക് താപനില കുറയ്ക്കാൻ കഴിയുമെന്നാണ്.ഒരു പരിധി വരെപ്രൂഫ്-ഓഫ്-കൺസെപ്റ്റ് സ്റ്റാക്കുകളിൽ.

എന്താണ് ബുദ്ധിമുട്ടായി തുടരുന്നത്

വജ്രത്തിന്റെ മുകൾഭാഗം നിർമ്മിക്കുന്നത് പ്രധാന വെല്ലുവിളികളാണ്.ആറ്റോമികമായി പരന്നഓവർലൈയിംഗ് ഇന്റർകണക്റ്റുകളുമായും ഡൈഇലക്‌ട്രിക്‌സുമായും തടസ്സമില്ലാത്ത സംയോജനത്തിനും ശുദ്ധീകരണ പ്രക്രിയകൾക്കും, നേർത്ത ഫിലിമുകൾ അടിസ്ഥാന സർക്യൂട്ടറിക്ക് സമ്മർദ്ദം ചെലുത്താതെ മികച്ച താപ ചാലകത നിലനിർത്തുന്നു.

ഔട്ട്ലുക്ക്

ഈ സമീപനങ്ങൾ പക്വത പ്രാപിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കുകയാണെങ്കിൽ,ഇൻ-ചിപ്പ് ഡയമണ്ട് ഹീറ്റ് സ്‌പ്രെഡിംഗ്CMOS, RF, പവർ ഇലക്ട്രോണിക്സ് എന്നിവയിലെ താപ പരിധികളിൽ ഗണ്യമായ ഇളവ് വരുത്താൻ കഴിയും - സാധാരണ താപ പിഴകളില്ലാതെ ഉയർന്ന പ്രകടനം, കൂടുതൽ വിശ്വാസ്യത, സാന്ദ്രമായ 3D സംയോജനം എന്നിവ അനുവദിക്കുന്നു.