Vim li cas cov chips niaj hnub no thiaj kub

Thaum cov transistors nanoscale hloov ntawm gigahertz tus nqi, cov electrons maj mam hla cov circuits thiab poob zog ua cua sov - tib qhov cua sov uas koj hnov ​​​​​​thaum lub laptop lossis xov tooj sov tsis xis nyob. Kev ntim ntau transistors rau ntawm lub chip ua rau muaj chaw tsawg dua los tshem tawm qhov cua sov ntawd. Hloov chaw kis mus rau hauv silicon, cua sov sib sau ua ke rau hauv cov hotspots uas tuaj yeem kub dua kaum degrees dua li thaj chaw ib puag ncig. Txhawm rau kom tsis txhob muaj kev puas tsuaj thiab kev poob qis ntawm kev ua haujlwm, cov txheej txheem tswj hwm CPUs thiab GPUs thaum qhov kub nce siab.

Lub Scope ntawm qhov kev sib tw thermal

Qhov pib ua kev sib tw kom me me tau dhau los ua kev sib ntaus sib tua nrog cua sov thoob plaws txhua yam khoom siv hluav taws xob. Hauv kev suav lej, kev ua tau zoo txuas ntxiv thawb lub zog ceev dua (cov servers ib leeg tuaj yeem kos rau ntawm qhov kev txiav txim ntawm kaum tawm kilowatts). Hauv kev sib txuas lus, ob qho tib si digital thiab analog circuits xav tau lub zog transistor siab dua rau cov teeb liab muaj zog dua thiab cov ntaub ntawv sai dua. Hauv cov khoom siv hluav taws xob fais fab, kev ua haujlwm zoo dua yog txwv los ntawm kev txwv thermal.

Ib txoj kev npaj sib txawv: kis cua sov rau hauv lub chip

Es tsis txhob cia cua sov sib sau ua ke, ib lub tswv yim zoo yogdilutenws nyob hauv lub chip nws tus kheej - zoo li nchuav ib khob dej npau rau hauv pas dej ua luam dej. Yog tias cua sov kis mus rau qhov chaw uas nws tsim tawm, cov khoom siv kub tshaj plaws yuav txias dua thiab cov khoom siv txias ib txwm muaj (cov dab dej cua sov, kiv cua, cov voj voog kua) ua haujlwm tau zoo dua. Qhov no xav tau ibcov khoom siv hluav taws xob rwb thaiv tsev zoo heevkev sib xyaw ua ke tsuas yog nanometers los ntawm cov transistors uas nquag ua haujlwm yam tsis cuam tshuam lawv cov khoom zoo. Ib tus neeg sib tw tsis tau xav txog haum rau daim nqi no:pob zeb diamond.

Vim li cas pob zeb diamond?

Pob zeb diamond yog ib qho ntawm cov khoom siv hluav taws xob zoo tshaj plaws uas paub - ntau zaus ntau dua li tooj liab - thaum tseem yog ib qho khoom siv hluav taws xob insulator. Qhov ntes yog kev sib koom ua ke: cov txheej txheem loj hlob ib txwm xav tau qhov kub thiab txias nyob ib puag ncig lossis siab dua 900–1000 ° C, uas yuav ua rau puas tsuaj rau cov hluav taws xob siab heev. Cov kev nce qib tsis ntev los no qhia tau hais tias cov khoom nyias nyiaspob zeb diamond polycrystallinecov yeeb yaj kiab (tsuas yog ob peb micrometers tuab) tuaj yeem loj hlob ntawmkub qis duatsim nyog rau cov khoom siv tiav lawm.

Cov tub yees niaj hnub no thiab lawv cov kev txwv

Kev txias txias tseem ceeb tsom mus rau cov cua sov zoo dua, cov kiv cua, thiab cov ntaub ntawv sib txuas. Cov kws tshawb fawb kuj tshawb nrhiav cov kua txias microfluidic, cov ntaub ntawv hloov pauv theem, thiab txawm tias muab cov servers tso rau hauv cov kua thermally conductive, electrically insulating. Cov no yog cov kauj ruam tseem ceeb, tab sis lawv tuaj yeem loj, kim, lossis tsis sib xws nrog cov khoom tshiab.3D-stackedcov qauv ntawm cov chip, qhov twg ntau txheej silicon ua zoo li "skyscraper." Hauv cov pawg zoo li no, txhua txheej yuav tsum tso cua sov tawm; txwv tsis pub cov hotspots raug kaw sab hauv.

Yuav ua li cas cog pob zeb diamond uas siv tau rau cov cuab yeej siv

Cov pob zeb diamond ib leeg muaj cov thermal conductivity zoo kawg nkaus (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, kwv yees li rau npaug ntawm tooj liab). Cov yeeb yaj kiab polycrystalline yooj yim dua los ua tuaj yeem mus txog cov nqi no thaum tuab txaus - thiab tseem zoo dua li tooj liab txawm tias thaum nyias dua. Cov tshuaj lom neeg ib txwm muaj cov pa dej ua rau methane thiab hydrogen ntawm qhov kub siab, tsim cov pob zeb diamond ntsug uas tom qab sib koom ua ib zaj duab xis; los ntawm lub sijhawm ntawd cov txheej yog tuab, ntxhov siab, thiab yooj yim tawg.
Kev loj hlob hauv qhov kub qis dua xav tau daim ntawv qhia sib txawv. Tsuas yog txo qhov kub kom tsawg dua yuav ua rau muaj cov pa luam yeeb uas ua rau muaj hluav taws xob ntau dua li cov pob zeb diamond uas tiv thaiv tau hluav taws xob.cov pa oxygentxuas ntxiv txiav cov pa roj carbon uas tsis yog pob zeb diamond, ua rauPob zeb diamond polycrystalline loj-grain ntawm ~ 400 ° C, qhov kub sib xws nrog cov circuits sib xyaw ua ke. Ib yam li ntawd, qhov tseem ceeb, cov txheej txheem tuaj yeem txheej tsis yog tsuas yog cov nto kab rov tav xwb tab sis kujcov phab ntsa sab, uas tseem ceeb rau cov khoom siv 3D uas muaj txiaj ntsig.

Kev tiv thaiv ciam teb thermal (TBR): lub qhov dej ntawm phonon

Kub hauv cov khoom khov yog nqa los ntawmcov phonons(quantized lattice vibrations). Ntawm cov khoom siv interfaces, phonons tuaj yeem cuam tshuam thiab sib sau ua ke, tsimthermal ciam teb tsis kam (TBR)uas cuam tshuam kev ntws cua sov. Kev tsim kho interface nrhiav kev txo qis TBR, tab sis cov kev xaiv raug txwv los ntawm kev sib xws ntawm semiconductor. Ntawm qee qhov interfaces, kev sib xyaw ua ke tuaj yeem tsim ib qho nyias nyiassilicon carbide (SiC)txheej uas phim cov phonon spectra zoo dua ntawm ob sab, ua haujlwm ua "choj" thiab txo TBR - yog li txhim kho kev hloov pauv cua sov los ntawm cov khoom siv mus rau hauv pob zeb diamond.

Ib lub txaj sim: GaN HEMTs (xov tooj cua zaus transistors)

Cov transistors muaj zog siab (HEMTs) raws li gallium nitride tswj tam sim no hauv 2D electron roj thiab muaj txiaj ntsig rau kev ua haujlwm siab, muaj zog (suav nrog X-band ≈8–12 GHz thiab W-band ≈75–110 GHz). Vim tias cua sov tsim nyob ze ntawm qhov chaw, lawv yog qhov zoo heev ntawm txhua txheej cua sov kis mus rau hauv qhov chaw. Thaum cov pob zeb diamond nyias nyias qhwv lub cuab yeej - suav nrog cov phab ntsa - qhov kub ntawm cov channel tau pom tias poob qis~70 °C, nrog rau kev txhim kho zoo hauv chav thermal ntawm lub zog siab.

Pob zeb diamond hauv CMOS thiab 3D stacks

Hauv kev suav lej siab heev,3D stackingua rau kev sib koom ua ke ceev thiab kev ua tau zoo tab sis tsim cov cua sov sab hauv uas cov khoom siv txias ib txwm muaj, sab nraud tsis zoo. Kev sib koom ua ke pob zeb diamond nrog silicon tuaj yeem tsim tau ib qho txiaj ntsig duaSiC interlayer, ua rau muaj qhov zoo thermal interface.
Ib qho kev tsim vaj tsev uas tau npaj tseg yog ib qholub thermal scaffold: cov ntawv pob zeb diamond nanometer nyias uas tau muab tso rau saum cov transistors hauv dielectric, txuas nrog los ntawmntsug thermal vias ("heat pillars")ua los ntawm tooj liab lossis pob zeb diamond ntxiv. Cov ncej no hla cua sov los ntawm txheej mus rau txheej kom txog thaum nws mus txog qhov txias sab nraud. Kev ua piv txwv nrog cov haujlwm ua haujlwm tiag tiag qhia tau hais tias cov qauv zoo li no tuaj yeem txo qhov kub siab tshaj plaws los ntawmmus txog qhov loj mehauv cov pawg pov thawj ntawm lub tswv yim.

Qhov uas tseem nyuaj

Cov teeb meem tseem ceeb suav nrog kev ua kom saum npoo ntawm pob zeb diamondatomically tiaj tusrau kev sib koom ua ke nrog cov kev sib txuas thiab dielectrics, thiab cov txheej txheem refining kom cov yeeb yaj kiab nyias tswj tau qhov thermal conductivity zoo heev yam tsis muaj kev ntxhov siab rau cov circuitry hauv qab.

Kev Pom Zoo

Yog tias cov kev coj ua no txuas ntxiv mus,Hauv-chip pob zeb diamond kub kis tautuaj yeem txo qhov kev txwv thermal hauv CMOS, RF, thiab cov khoom siv hluav taws xob - tso cai rau kev ua haujlwm siab dua, kev ntseeg siab dua, thiab kev sib koom ua ke 3D ntau dua yam tsis muaj kev nplua thermal ib txwm muaj.