Naukowcy z Uniwersytetu Wirginii poczynili znaczne postępy w zrozumieniu, w jaki sposób ciepło przepływa przez cienkie folie metalowe, co ma kluczowe znaczenie dla projektowania bardziej wydajnych chipów komputerowych.
Badanie to potwierdza regułę Matthiessena przy nanoskalapoprawiając zarządzanie ciepłem w ultracienkich warstwach miedzi stosowanych w urządzeniach nowej generacji, poprawiając w ten sposób wydajność i zrównoważony rozwój.
Przełom w technologii chipów
Naukowcy z Uniwersytetu Wirginii dokonali znaczącego przełomu w poprawie wydajności chipów komputerowych, potwierdzając kluczową zasadę rządzącą przepływem ciepła w cienkich warstwach metalu. Odkrycie to, opublikowane w Komunikacja przyrodnicza i wspierany przez Semiconductor Research Corporation we współpracy z firmą Intel, pogłębia naszą wiedzę na temat przewodności cieplnej metali stosowanych w chipach nowej generacji. Odkrycia mogą umożliwić stworzenie szybszych, mniejszych i bardziej energooszczędnych urządzeń niż kiedykolwiek wcześniej.
„W miarę kurczenia się urządzeń znaczenie zarządzania ciepłem staje się najważniejsze” – wyjaśnił główny badacz oraz doktor inżynierii mechanicznej i lotniczej. student Md. Rafiqul Islam. „Weź pod uwagę wysokiej klasy konsole do gier lub centra danych oparte na sztucznej inteligencji, gdzie ciągłe przetwarzanie o dużej mocy często prowadzi do wąskich gardeł termicznych. Nasze odkrycia stanowią plan złagodzenia tych problemów poprzez udoskonalenie sposobu, w jaki ciepło przepływa przez ultracienkie metale, takie jak miedź”.
Zrozumienie nauki: ciepło w nanoskali
Miedź, powszechnie stosowana ze względu na swoje doskonałe właściwości przewodzące, stoi przed poważnymi wyzwaniami w miarę zmniejszania rozmiarów urządzeń do nanometrów. W tak małych skalach nawet najlepsze materiały doświadczają spadku wydajności ze względu na zwiększone ciepło — zjawisko to ulega wzmocnieniu w przypadku miedzi, co prowadzi do niższej przewodności i wydajności. Aby rozwiązać ten problem, zespół UVA skupił się na kluczowym elemencie nauki o cieple, znanym jako reguła Matthiessena, który sprawdził w ultracienkich warstwach miedzi. Zasada, która tradycyjnie pomaga przewidzieć, jak różne procesy rozpraszania wpływają na przepływ elektronów, nigdy dotąd nie została dokładnie potwierdzona w materiałach w nanoskali.
Korzystając z nowatorskiej metody zwanej termoodbiciem w stanie ustalonym (SSTR), zespół zmierzył przewodność cieplną miedzi i porównał ją z danymi dotyczącymi rezystywności elektrycznej. To bezpośrednie porównanie wykazało, że reguła Matthiessena zastosowana z określonymi parametrami niezawodnie opisuje sposób, w jaki ciepło przemieszcza się przez folie miedziane, nawet przy grubościach w nanoskali.
Skutek: chłodniejsze, szybsze i mniejsze chipy
Dlaczego to ma znaczenie? W świecie technologii integracji na bardzo dużą skalę (VLSI), w której obwody są upakowane w niezwykle ciasnych przestrzeniach, efektywne zarządzanie ciepłem bezpośrednio przekłada się na poprawę wydajności. Badanie to nie tylko wskazuje na przyszłość, w której nasze urządzenia będą działać chłodniej, ale także obiecuje zmniejszenie ilości energii traconej na ciepło, co jest pilną kwestią w przypadku zrównoważonej technologii. Potwierdzając, że reguła Matthiessena obowiązuje nawet w nanowymiarach, zespół utorował drogę do udoskonalenia materiałów łączących obwody w zaawansowanych chipach komputerowych, ustanawiając standard zachowania materiałów, na którym mogą polegać producenci.
„Potraktuj to jak plan działania” – powiedział Patrick E. Hopkins, doradca Isama i profesor inżynierii w Whitney Stone. „Dzięki zatwierdzeniu tej zasady projektanci chipów mają teraz zaufany przewodnik umożliwiający przewidywanie i kontrolowanie zachowania ciepła w małych warstwach miedzi. To przełom w tworzeniu chipów spełniających wymagania energetyczne i wydajnościowe przyszłych technologii.
Współpraca na rzecz przyszłości elektroniki
Badanie to odzwierciedla udaną współpracę pomiędzy UVA, Intel i Semiconductor Research Corporation, pokazując siłę partnerstwa między środowiskiem akademickim a przemysłem. Odkrycia niosą ze sobą ogromny potencjał w zakresie udoskonalenia technologii CMOS nowej generacji (komplementarnego półprzewodnika z tlenkiem metalu), kluczowego elementu nowoczesnej elektroniki. CMOS to standardowa technologia stosowana w układach scalonych stosowanych w różnych urządzeniach, od komputerów i smartfonów po samochody i sprzęt medyczny.
Łącząc badania eksperymentalne z zaawansowanym modelowaniem, naukowcy z UVA utorowali drogę materiałom, które mogą zasilać bardziej wydajne urządzenia elektroniczne, zmniejszając jednocześnie zużycie energii. W dziedzinie, w której nawet niewielkie ulepszenia kontroli temperatury mają duże znaczenie, odkrycia te stanowią kluczowy krok w kierunku przyszłości chłodniejszej, szybszej i bardziej zrównoważonej technologii.
Odniesienie: „Ocena wpływu wielkości na przewodność cieplną i współczynniki rozpraszania elektronów i fononów cienkich warstw miedzi w celu eksperymentalnej walidacji reguły Matthiessena”: Md. Rafiqul Islam, Pravin Karna, John A. Tomko, Eric R. Hoglund, Daniel M. Hirt , Md Shafkat Bin Hoque, Saman Zare, Kiumars Aryana, Thomas W. Pfeifer, Christopher Jezewski, Ashutosh Giri, Colin D. Landon, Sean W. King i Patrick E. Hopkins, 24 października 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-53441-9
Autorami artykułu są dr Rafiqul Islam i Patrick E Hopkins z Uniwersytetu Wirginii. Badanie było wspierane przez Semiconductor Research Corporation przy dodatkowym wsparciu i współpracy ze strony badaczy z firmy Intel.
