Carson a bhios sgoltagan an latha an-diugh a’ ruith teth

Mar a bhios transistors nanosgèile ag atharrachadh aig ìrean gigahertz, bidh dealanan a’ ruith tro chuairtean agus a’ call lùth mar theas - an aon teas a bhios tu a’ faireachdainn nuair a bhios laptop no fòn a’ fàs ro theth. Ma phacaicheas tu barrachd transistors air sliseag, tha nas lugha de rùm ann airson an teas sin a thoirt air falbh. An àite a bhith a’ sgaoileadh gu cothromach tro silicon, bidh teas a’ cruinneachadh ann an àiteachan teth a dh’ fhaodadh a bhith deichean de cheumannan nas teotha na na roinnean mun cuairt. Gus milleadh agus call coileanaidh a sheachnadh, bidh siostaman a’ cur bacadh air CPUan agus GPUan nuair a bhios an teòthachd ag èirigh.

Raon na dùbhlain teirmeach

Tha an rud a thòisich mar rèis airson mion-sgrùdadh air fàs gu bhith na bhlàr le teas thar a h-uile eileagtronaig. Ann an coimpiutaireachd, tha coileanadh a’ sìor fhàs nas àirde (faodaidh frithealaichean fa leth timcheall air deichean de chileavatan a chleachdadh). Ann an conaltradh, tha feum aig cuairtean didseatach agus analogach air cumhachd transistor nas àirde airson comharran nas làidire agus dàta nas luaithe. Ann an eileagtronaig cumhachd, tha èifeachdas nas fheàrr air a chuingealachadh barrachd is barrachd le cuingealachaidhean teirmeach.

Ro-innleachd eadar-dhealaichte: teas a sgaoileadh taobh a-staigh a’ chip

An àite leigeil le teas dùmhlachadh, is e beachd gealltanach a th’ anncaolaiche taobh a-staigh a’ chip fhèin—mar a bhith a’ dòrtadh cupa uisge goileach a-steach do amar-snàmh. Ma thèid teas a sgaoileadh dìreach far a bheil e air a chruthachadh, bidh na h-innealan as teotha a’ fuireach nas fhuaire agus bidh fuaradairean àbhaisteach (sincichean teas, luchd-leantainn, lùban leaghaidh) ag obair nas èifeachdaiche. Tha seo ag iarraidh astuth àrd-ghiùlain teirmeach, stuth inslithe dealaindìreach nanometers air an amalachadh bho transistors gnìomhach gun a bhith a’ cur dragh air na feartan cugallach aca. Tha tagraiche ris nach robh dùil a’ freagairt air a’ bhile seo:daoimean.

Carson daoimean?

Tha daoimean am measg nan giùlan teirmeach as fheàrr a tha aithnichte—grunn thursan nas àirde na copar—agus tha e cuideachd na inneal-inslithe dealain. Is e an ribe amalachadh: feumaidh dòighean fàis àbhaisteach teòthachd timcheall air no os cionn 900–1000 °C, a dhèanadh cron air cuairteachadh adhartach. Tha adhartasan o chionn ghoirid a’ sealltainn gu bheil tanadaoimean poile-chriostalachfaodar filmichean (dìreach beagan mhicreameatairean de thighead) fhàs aigteòthachd mòran nas ìslefreagarrach airson innealan crìochnaichte.

Fuaradairean an latha an-diugh agus na crìochan aca

Bidh fuarachadh prìomh-shruthach ag amas air sincichean teas, luchd-leantainn agus stuthan eadar-aghaidh nas fheàrr. Bidh luchd-rannsachaidh cuideachd a’ sgrùdadh fuarachadh leaghan meanbh-shruthach, stuthan atharrachaidh ìre, agus eadhon frithealaichean a bhogadh ann an leaghan a tha a’ giùlan teirmeach agus a’ toirt insulation dealain. Tha iad sin nan ceumannan cudromach, ach faodaidh iad a bhith mòr, daor, no nach eil freagarrach do na tha a’ tighinn am bàrr.3D-chruaichteailtireachd sliseagan, far a bheil iomadh sreath silicon ag obair mar “skyscraper.” Ann an cruachan mar sin, feumaidh gach sreath teas a leigeil ma sgaoil; air neo bidh puingean teth glaiste a-staigh.

Mar a dh'fhàsas tu daoimean a tha càirdeil do innealan

Tha seoltachd teirmeach air leth math aig daoimean aon-chriostail (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, mu shia uiread nas motha na copar). Faodaidh filmichean poileacriostail a tha nas fhasa a dhèanamh na luachan sin a ruighinn nuair a tha iad tiugh gu leòr - agus tha iad fhathast nas fheàrr na copar eadhon nuair a tha iad nas taine. Bidh tasgadh smùid ceimigeach traidiseanta ag ath-bhualadh meatàn agus haidridean aig teòthachd àrd, a’ cruthachadh nano-cholbhan daoimean dìreach a bhios a’ tighinn còmhla nas fhaide air adhart gu bhith na fhilm; mun àm sin tha an còmhdach tiugh, fo chuideam, agus buailteach do sgàineadh.
Feumaidh fàs aig teòthachd nas ìsle reasabaidh eadar-dhealaichte. Bidh sùith giùlain a’ tighinn bho bhith a’ lughdachadh an teas an àite daoimean inslithe.ogsaideana’ gràbhaladh gu leantainneach carbon neo-dhaoimean, a’ comasachadhdaoimean poile-chriostalach mòr-ghràin aig ~400 °C, teòthachd a tha co-chòrdail ri cuairtean amalaichte adhartach. A cheart cho cudromach, faodaidh am pròiseas còmhdach a dhèanamh chan ann a-mhàin air uachdaran còmhnard ach cuideachdballachan-taobh, a tha cudromach airson innealan 3D gu nàdarrach.

Frith-aghaidh crìche teirmeach (TBR): am bacadh fòn-làimhe

Tha teas ann an solidan air a ghiùlan lefònan(crithidhean laitís cainneachdaichte). Aig eadar-aghaidhean stuthan, faodaidh fononan nochdadh agus cruinneachadh, a’ cruthachadhstrì an aghaidh crìche teirmeach (TBR)a chuireas bacadh air sruthadh teas. Tha innleadaireachd eadar-aghaidh ag amas air TBR a lùghdachadh, ach tha roghainnean air an cuingealachadh le co-chòrdalachd leth-chonnsachaidh. Aig eadar-aghaidhean sònraichte, faodaidh measgachadh tana a chruthachadhcarbaid sileacon (SiC)sreath a tha a’ freagairt nas fheàrr ri speactra fònon air gach taobh, ag obair mar “drochaid” agus a’ lughdachadh TBR—agus mar sin a’ leasachadh gluasad teas bho innealan a-steach do daoimean.

Àite deuchainn: GaN HEMTan (transistors tricead rèidio)

Transistearan gluasaid-eileagtronaigeach àrd (HEMTn) stèidhichte air sruth smachd gallium nitride ann an gas eileagtronaigeach 2D agus tha iad air am meas airson obrachadh àrd-tricead, àrd-chumhachd (a’ gabhail a-steach còmhlan-X ≈8–12 GHz agus còmhlan-W ≈75–110 GHz). Leis gu bheil teas air a chruthachadh glè fhaisg air an uachdar, tha iad nan sgrùdadh sàr-mhath air sreath sgaoilidh teas in-situ sam bith. Nuair a bhios daoimean tana a’ cuairteachadh an inneil - a’ gabhail a-steach ballachan-taobh - thathas air fhaicinn gu bheil teòthachd an t-seanail a’ tuiteam le~70 °C, le leasachaidhean mòra ann an rùm-cinn teirmeach aig cumhachd àrd.

Daoimean ann an cruachan CMOS agus 3D

Ann an coimpiutaireachd adhartach,Cruachadh 3Da’ meudachadh dùmhlachd is coileanadh amalachaidh ach a’ cruthachadh bhacaidhean teirmeach a-staigh far nach eil fuaradairean traidiseanta, taobh a-muigh cho èifeachdach. Faodaidh amalachadh daoimean le silicon buannachd a thoirt gu buil a-rithisteadar-fhilleadh SiC, a’ toirt a-mach eadar-aghaidh teirmeach àrd-inbhe.
Is e aon ailtireachd a thathar a’ moladhsgafaill teirmeachsiotaichean daoimean tana nanometer air an leabachadh os cionn transistors taobh a-staigh an dielectric, ceangailte leviathan teirmeach dìreach (“pìlearan teas”)air a dhèanamh le copar no daoimean a bharrachd. Bidh na colbhan seo a’ dol seachad air teas bho shreath gu sreath gus an ruig e fuaradair taobh a-muigh. Tha atharrais le luchdan-obrach reusanta a’ sealltainn gum faod structaran mar sin teòthachd as àirde a lughdachadh lesuas gu òrdugh meudachdann an cruachan dearbhaidh-bun-bheachd.

Dè tha fhathast duilich

Am measg nam prìomh dhùbhlain tha uachdar àrd daoimean a dhèanamhrèidh gu atamachairson amalachadh gun fhiosta le eadar-cheanglaichean agus dielectrics os a chionn, agus pròiseasan grinneachaidh gus am bi filmichean tana a’ cumail suas giùlan teirmeach sàr-mhath gun a bhith a’ cur cuideam air a’ chuairteachadh bunaiteach.

Sealladh

Ma leanas na dòighean-obrach sin air adhartas a dhèanamh,sgaoileadh teas daoimean sa chipdh’ fhaodadh e crìochan teirmeach a lughdachadh gu mòr ann an CMOS, RF, agus eileagtronaig cumhachd—a’ leigeil le coileanadh nas àirde, earbsachd nas motha, agus amalachadh 3D nas dùmhail às aonais na peanasan teirmeach àbhaisteach.