211service.com
Grafēns palīdz vara vadiem saglabāt vēsumu
Kad cilvēki mikroshēmu nozarē runā par termiskajām problēmām datoru procesoros, tās kļūst dramatiskas. 2001. gadā Pats Gelsingers, toreizējais Intel viceprezidents, atzīmēja, ka, ja jaunāko mikroshēmu radītā temperatūra turpinātu paaugstināties, līdz 2005. gadam tās pārsniegs kodolreaktora siltumu, bet līdz 2015. gadam — saules virsmu. Par laimi, šāda termiskā katastrofa tika novērsta, palēninot mikroprocesoru pārslēgšanās ātrumu un izmantojot daudzkodolu mikroshēmu dizainus, kuros vairāki procesori darbojas paralēli.
Atdzesēšana: Tuvplānā redzams varš pirms grafēna pievienošanas (augšā) un pēc tam (apakšā).
Tagad pusvadītāju nozarei ir jāatrisina vēl viena termiska problēma. Tā kā mikroshēmas komponenti saraujas, ir jāsamazinās arī vara vadiem, kas tos savieno. Un, kad šie vadi kļūst plānāki, tie ārkārtīgi uzkarst.
Potenciāls risinājums šim savstarpējo savienojumu drudzim ir atrasts grafēna veidā, kas ir eksotisks materiāls, kas izgatavots no viena atoma biezām oglekļa loksnēm, kas ir izcils gan elektronu, gan siltuma vadītājs.
Materiālu zinātnieki jau izmanto varu kā katalizatoru, lai audzētu grafēnu citiem mērķiem. Tātad Aleksandrs Balandins Kalifornijas Universitātē Riversaidā un Kostja Novoselovs , fiziķis Mančestras Universitātē, Apvienotajā Karalistē, kurš uzvarēja 2010. gada Nobela prēmija fizikā par savu pamatu darbu ar grafēnu (sk. Grafēns iegūst Nobela prēmiju) nolēma atstāt grafēnu uz vara, lai redzētu, kā tas ietekmē metāla termiskās īpašības. Rakstā, kas publicēts žurnālā Nano burti Viņi ziņo, ka sviestmaize, kas izgatavota no grafēna abās vara loksnes pusēs, uzlabo vara spēju izkliedēt siltumu par 25 procentiem, kas ir nozīmīgs rādītājs mikroshēmu dizaineriem.
Balandins saka, ka grafēns pats par sevi neizvada siltumu. Drīzāk tas maina vara struktūru, uzlabojot metāla vadošās īpašības. Siltuma kustību caur varu parasti palēnina metāla kristāliskā struktūra. Grafēns maina šo struktūru, liekot šīm sienām pārvietoties tālāk viena no otras un ļaujot siltumam plūst vieglāk, saka Balandins.
Pētījumi tika veikti ar salīdzinoši biezām vara loksnēm, kas ir daudz lielākas nekā datoru mikroshēmās atrodamie vara vadi, taču Balandins sagaida, ka siltumu vadošais efekts būs redzams arī plānākos vara vados. Tagad viņš strādā pie vara-grafēna vadiem, kas ir tikpat mazi kā tie, ko izmanto komerciālajās datoru mikroshēmās.
Problēma ir steidzama. Paredzams, ka šogad Intel izziņos produktus, kas satur 14 nanometru tranzistorus ar vara starpsavienojumiem aptuveni šādā vai pat mazākā mērogā. Vara stieples nedarbosies zem 10 nanometriem, un nav skaidrs, kas darbosies. Mēs vēl neesam atraduši savienojuma materiālu, kas varētu darboties tālāk par 10 nanometriem, daļēji pārkaršanas dēļ, saka Sarojs Najaks , fiziķis Integrētās elektronikas centrā Rensselaer Politehniskajā institūtā Trojā, Ņujorkā.
Majeed Foad, elektroinženieris plkst Lietišķie materiāli , pusvadītāju iekārtu ražotājs, kura galvenā mītne atrodas Santaklārā, Kalifornijā, kas palīdz uzņēmumam izsekot jaunu materiālu izpētei, saka, ka grafēna īpašības ir aizraujošas, taču piebilst, ka, tā kā mikroshēmas komponenti ir miniaturizēti, tie kļūst jutīgāki pret augstām temperatūrām. Lai izgatavotu labas kvalitātes grafēnu, nepieciešams daudz siltuma — Balandins un Novoselovs uzsildīja savus vadus līdz vairāk nekā 1000 °C. Foads saka, ka šādas temperatūras pasliktinās tranzistorus un citas mikroshēmas sastāvdaļas. Tomēr Balandins norāda uz laboratorijas eksperimentiem, kas parāda, ka grafēnu var audzēt zemākā temperatūrā, vismaz pētniecības vidē.
Neskatoties uz to, Foads saka, mikroshēmu ražotāji nesteigsies izmantot grafēnu. Materiālu maiņa ir ļoti sāpīga, tāpēc mēs izspiedīsim katru pēdējo pilienu veiktspējas no tā, kas mums ir, viņš saka.
Ir skaidrs, ka tikai vairāk tranzistoru ievietošana procesoros un vairāk procesoru ievietošana mikroshēmās vairs nebūs uzticama. Augstākās klases mikroshēmas jau satur apmēram 50 līdz 60 kilometrus vara vadu un vairākus serdeņus.
Džonatans Kandelarija , Semiconductor Research Corporation, nozares konsorcija Durhamā, Ziemeļkarolīnā, savstarpējo savienojumu pētījumu direktors saka, ka vairāku tranzistoru pievienošana neuzlabo veiktspēju, kā tas bija agrāk. Risinājums atkal var izrādīties tāds, ka tiek izmantotas būtiski atšķirīgas arhitektūras. Jauni mikroshēmu projektēšanas un iepakošanas veidi varētu palīdzēt atrisināt siltuma problēmu, saka Candelaria, un tas dos nozarei laiku, lai izstrādātu problēmas ar jauniem materiāliem, iespējams, tostarp ar jaunajiem grafēna-vara hibrīdiem.