Yog vim li cas niaj hnub chips khiav kub

Raws li nanoscale transistors hloov ntawm gigahertz tus nqi, cov hluav taws xob maj nrawm los ntawm circuits thiab poob lub zog raws li cua sov - tib lub tshav kub koj xav tias thaum lub laptop lossis lub xov tooj tsis xis nyob. Packing ntau transistors mus rau ib nti tawm tsawg chav kom tshem tawm cov cua sov. Es tsis txhob kis tusyees los ntawm silicon, tshav kub accumulates mus rau hauv hotspots uas yuav ua tau kaum ntawm degrees kub dua li ib ncig ntawm lub cheeb tsam. Txhawm rau kom tsis txhob muaj kev puas tsuaj thiab kev ua haujlwm poob, lub kaw lus kaw CPUs thiab GPUs thaum kub nce siab.

Lub Scope ntawm kev sib tw thermal

Dab tsi pib raws li kev sib tw rau miniaturize tau dhau los ua kev sib ntaus sib tua nrog cua sov thoob plaws txhua lub tshuab hluav taws xob. Hauv kev suav, kev ua tau zoo ua rau thawb lub zog ceev dua (ib tus neeg siv khoom tuaj yeem kos rau ntawm qhov kev txiav txim ntawm kaum ntawm kilowatts). Hauv kev sib txuas lus, ob qho tib si digital thiab analog circuits xav tau lub zog transistor ntau dua rau cov teeb liab muaj zog dua thiab cov ntaub ntawv ceev dua. Hauv hluav taws xob hluav taws xob, kev ua haujlwm zoo dua yog nce ntxiv los ntawm kev txwv thermal.

Ib lub tswv yim sib txawv: kis cua sov hauv lub nti

Es tsis txhob cia cua sov mloog zoo, lub tswv yim cog lus yog losdilutenws nyob rau hauv nti nws tus kheej-xws li ncuav ib khob ntawm boiling dej rau hauv lub pas dej ua ke. Yog tias cua sov kis mus rau qhov chaw uas nws tau tsim, cov khoom siv kub tshaj plaws nyob twj ywm txias dua thiab cov cua txias (cov dab dej kub, kiv cua, cov voj voog ua kua) ua haujlwm zoo dua. Qhov no xav tau ibhigh-thermal-conductivity, hluav taws xob insulating khoomintegrated xwb nanometers los ntawm active transistors tsis cuam tshuam lawv cov khoom muag. Ib tus neeg sib tw tsis tau npaj siab yuav haum rau daim nqi no:pob zeb diamond.

Vim li cas pob zeb diamond?

Pob zeb diamond yog qhov zoo tshaj plaws thermal conductors paub - ob peb zaug siab dua tooj liab - thaum tseem yog ib qho hluav taws xob insulator. Kev ntes yog kev sib koom ua ke: txoj kev loj hlob zoo ib txwm xav tau qhov kub ib puag ncig lossis siab dua 900-1000 ° C, uas yuav ua rau kev puas tsuaj loj heev. Kev nce qib tsis ntev los no qhia tias nyias nyiaspolycrystalline pob zeb diamondzaj duab xis (tsuas yog ob peb micrometers tuab) tuaj yeem loj hlob ntawmkub qis duahaum rau cov khoom siv tiav.

Niaj hnub no cov cua txias thiab lawv cov kev txwv

Mainstream cua txias tsom rau cov dab dej kub zoo dua, kiv cua, thiab cov khoom siv sib txuas. Cov kws tshawb fawb tseem tshawb nrhiav cov kua dej txias microfluidic, cov ntaub ntawv hloov pauv, thiab txawm tias muab cov servers tso rau hauv thermally conductive, hluav taws xob insulating kua. Cov no yog cov kauj ruam tseem ceeb, tab sis lawv tuaj yeem loj, kim, lossis tsis zoo sib xws rau qhov tshwm sim3D-stackedchip architectures, qhov twg ntau txheej silicon coj zoo li "skyscraper." Nyob rau hauv xws li stacks, txhua txheej yuav tsum tso cua sov; txwv tsis pub cov hotspots raug kaw hauv.

Yuav ua li cas loj hlob ntaus ntawv-phooj ywg pob zeb diamond

Ib leeg-crystal pob zeb diamond muaj txawv tshaj plaw thermal conductivity (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, txog rau lub sij hawm ntawm tooj liab). Cov yeeb yaj kiab polycrystalline yooj yim dua tuaj yeem ua rau cov txiaj ntsig no thaum tuab txaus - thiab tseem zoo dua rau tooj liab txawm tias thinner. Ib txwm siv tshuaj vapor deposition reacts methane thiab hydrogen ntawm qhov kub thiab txias, tsim cov pob zeb diamond ntsug nanocolumns uas tom qab sib koom ua ib zaj duab xis; los ntawm ces txheej yog tuab, stressed, thiab nquag tawg.
Kev loj hlob qis-kub xav tau ib daim ntawv qhia txawv. Tsuas yog tso cov cua sov tawm los ua cov hmoov tshauv es tsis yog insulating pob zeb diamond. Qhiaoxygentsis tu ncua etches uas tsis yog pob zeb diamond carbon, ua kom zooLoj-grain polycrystalline pob zeb diamond ntawm ~ 400 ° C, qhov kub tau sib xws nrog cov txheej txheem sib xyaw ua ke. Ib yam li qhov tseem ceeb, cov txheej txheem tuaj yeem hnav tsis tau tsuas yog kab rov tav tab sis kujcov phab ntsa, uas tseem ceeb rau inherently 3D li.

Thermal ciam teb tsis kam (TBR): lub phonon bottleneck

Thaum tshav kub kub hauv cov khoom yog nqa los ntawmphonons(quantized lattice vibrations). Ntawm cov khoom siv interfaces, phonons tuaj yeem cuam tshuam thiab pawg, tsimThermal ciam teb tsis kam (TBR)uas impedes cua sov ntws. Interface engineering nrhiav kom txo TBR, tab sis cov kev xaiv raug txwv los ntawm semiconductor compatibility. Ntawm qee qhov kev sib tshuam, kev sib xyaw ua ke tuaj yeem tsim nyiassilicon carbide (SiC)txheej uas zoo dua ntais ntawv phonon spectra ntawm ob sab, ua raws li "choj" thiab txo TBR-yog li kev txhim kho cua sov los ntawm cov khoom siv rau hauv pob zeb diamond.

Testbed: GaN HEMTs (xov tooj cua zaus transistors)

High-electron-mobility transistors (HEMTs) raws li gallium nitride tswj tam sim no hauv 2D electron roj thiab tau txais txiaj ntsig rau kev ua haujlwm siab, lub zog siab (suav nrog X-band ≈8-12 GHz thiab W-band ≈75-110 GHz). Vim tias cov cua sov yog tsim los ze ze ntawm qhov chaw, lawv yog ib qho kev sojntsuam zoo heev ntawm txhua qhov hauv-situ tshav kub-kho txheej. Thaum nyias pob zeb diamond encapsulates lub cuab yeej-xws li sidewalls-channel kub tau pom los poob los ntawm~ 70 ° C, nrog kev txhim kho loj heev hauv thermal headroom ntawm lub zog siab.

Pob zeb diamond hauv CMOS thiab 3D pawg

Nyob rau hauv advanced xam,3D stackingnce kev sib koom ua ke kom ceev thiab kev ua tau zoo tab sis tsim cov thermal bottlenecks nyob rau hauv qhov chaw ib txwm muaj, sab nraud coolers tsis zoo. Kev koom ua ke pob zeb diamond nrog silicon tuaj yeem ua rau muaj txiaj ntsig zooSiC interlayer, yielding high-zoo thermal interface.
Ib lub tswv yim architecture yog ibthermal scaffold: nanometer-nyias pob zeb diamond nplooj ntawv kos saum cov transistors hauv dielectric, txuas nrogntsug thermal vias ("cov ncej kub")ua los ntawm tooj liab lossis pob zeb diamond ntxiv. Cov ncej no dhau cov cua sov los ntawm txheej mus rau txheej kom txog rau thaum nws mus txog rau sab nraud txias. Kev simulation nrog cov khoom siv tiag tiag qhia tau tias cov qauv zoo li no tuaj yeem txo qhov kub siab tshaj plaws los ntawmmus txog qhov kev txiav txim lojnyob rau hauv cov ntaub ntawv pov thawj ntawm cov tswv yim.

Dab tsi tseem nyuaj

Cov kev sib tw tseem ceeb suav nrog ua rau saum npoo ntawm pob zeb diamondatomically tiaj tusrau seamless kev koom ua ke nrog overlying interconnects thiab dielectrics, thiab refining txheej txheem yog li nyias zaj duab xis tuav zoo heev thermal conductivity tsis stressing lub hauv paus circuitry.

Outlook

Yog tias cov txheej txheem no tseem tab tom loj hlob,nyob rau hauv-chip pob zeb diamond tshav kub kistuaj yeem txo qis thermal txwv hauv CMOS, RF, thiab hluav taws xob hluav taws xob hluav taws xob - tso cai rau kev ua tau zoo dua, kev ntseeg tau ntau dua, thiab denser 3D kev koom ua ke yam tsis muaj kev nplua thermal ib txwm.