Перспективы охлаждения чипов и как нанотрубки Si-28 в этом могут помочь
Ученые обнаружили и продемонстрировали новый материал для использования в передовых процессорах, который может проводить тепло на 150% эффективнее, говорится в с татье, опубликованной Национальной лабораторией Лоуренса в Беркли (
https://newscenter.lbl.gov/2022/05/17/silicon-nanowires-take-the-heat/). Накопление тепла в процессорах — большая проблема для производительности, а кремний действует как естественный теплоизолятор, препятствуя охлаждению. Есть надежда, что с применением новой технологии сверхтонких кремниевых нанотрубок чипы смогут стать меньше, быстрее и холоднее благодаря относительно простому изменению.
Ключевым изменением, которое было найдено, является использование изотопа очищенного
кремния-28 (Si-28). Да, кремний дешев и распространен, но плохо проводит тепло, и это проблема современных чипов с десятками миллиардов транзисторов, работающих на высоких тактовых частотах. Природный кремний состоит из трех изотопов: кремний-28, кремний-29 и кремний-30. Кремний-28 является наиболее распространенным, составляя около 92% запасов природного кремния. Более того, давно известно, что Si-28 является лучшим проводником тепла. Очищенный Si-28 может проводить тепло примерно на 10% лучше, чем природный кремний. Однако до сих пор это преимущество считалось бесполезным. Иногда технологии заслуживают повторного изучения и переоценки по мере появления новых технологий, ведь новое - это хорошо забытое старое. Именно поэтому, ученые решили использовать очищенный Si-28 для создания ультратонких нанотрубок.
(Ученые Цзюньцяо Ву и Джоэл Агер)
Первоначально ученые подтвердили, что теплопроводность Si-28 всего на 10% выше, чем у природного кремния. Но это было справдливо для нанотрубок диаметром 1 мм. Однако, когда они создали нанотрубки Si-28 толщиной 90 нм (примерно в тысячу раз тоньше человеческого волоса), теплопроводность стала на 150% лучше, что стало для них большим сюрпризом. Они ожидали повышения результатов всего на 10–20%.
Исследования выявили две основные причины отличной теплопроводности нанопроволок Si-28. Электронная микроскопия показала, что нанопротрубки Si-28 имеют более совершенное стекловидное покрытие, поэтому они не страдают от недостатков смешения/исчезновения фотонов при теплопередаче нанотрубок из природного кремния. Во-вторых, на этих нанотрубках образовался естественный слой SiO2 (диоксид кремния), удерживающий фотоны, переносящие тепло, на своем пути. Таким образом, два ранее наблюдавшихся механизма блокировки фотонов были значительно уменьшены благодаря новому материалу.
Итак, какая польза от кремниевых нанотрубок, проводящих на 150% больше тепла? Некоторые современные конструкции транзисторов уже включают кремниевые нанотрубки. Полевой транзистор Gate-All-Around Field Effect Transistor (GAA-FET) использует кремниевые нанотрубки, сложенные вместе для проведения электричества, но они все еще страдают от накопления тепла. Если этот новый материал можно будет заменить, то разработчики процессоров смогут добиться относительно быстрой и легкой победы над высоким тепловыделением чипов.
Читая исходную статью, в настоящее время кажется, что очищенного Si-28, доступного для дальнейшего тестирования, явно не хватает. Образцы, использованные в описанных выше экспериментах, были взяты с бывшего советского завода (внезапно) по производству изотопов. Если преимущества действительно так хороши, как заявлено, тогда одному или нескольким производителям будет необходимо снова начать переработку Si-28. Учитывая сложность дальнейшего масштабирования технологического процесса, даже увеличение теплопроводности на 50% может быть достаточной причиной для этого, не говоря уже о заявленном улучшении на 150%.
