เหตุใดชิปสมัยใหม่จึงร้อนจัด

เนื่องจากทรานซิสเตอร์ระดับนาโนทำงานด้วยความเร็วระดับกิกะเฮิร์ตซ์ อิเล็กตรอนจึงไหลผ่านวงจรอย่างรวดเร็วและสูญเสียพลังงานไปในรูปของความร้อน ซึ่งเป็นความร้อนแบบเดียวกับที่คุณรู้สึกเมื่อแล็ปท็อปหรือโทรศัพท์ร้อนจนไม่สบาย การใส่ทรานซิสเตอร์จำนวนมากขึ้นลงในชิปทำให้มีพื้นที่ในการระบายความร้อนน้อยลง แทนที่จะกระจายอย่างสม่ำเสมอทั่วซิลิคอน ความร้อนจึงสะสมอยู่ในจุดร้อนที่อาจร้อนกว่าบริเวณโดยรอบหลายสิบองศา เพื่อป้องกันความเสียหายและการสูญเสียประสิทธิภาพ ระบบจึงลดความเร็วของ CPU และ GPU เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น

ขอบเขตของความท้าทายด้านความร้อน

สิ่งที่เริ่มต้นจากการแข่งขันเพื่อลดขนาดอุปกรณ์ กลับกลายเป็นสงครามกับความร้อนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกประเภท ในด้านการคำนวณ ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นทำให้ความหนาแน่นของพลังงานสูงขึ้นเรื่อยๆ (เซิร์ฟเวอร์แต่ละเครื่องอาจใช้พลังงานหลายสิบกิโลวัตต์) ในด้านการสื่อสาร ทั้งวงจรดิจิทัลและอนาล็อกต่างต้องการพลังงานจากทรานซิสเตอร์ที่สูงขึ้นเพื่อให้ได้สัญญาณที่แรงขึ้นและข้อมูลที่รวดเร็วขึ้น ในด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลัง ประสิทธิภาพที่ดีขึ้นกลับถูกจำกัดด้วยข้อจำกัดด้านความร้อนมากขึ้นเรื่อยๆ

กลยุทธ์ที่แตกต่างออกไป: กระจายความร้อนภายในชิป

แทนที่จะปล่อยให้ความร้อนสะสม แนวคิดที่น่าสนใจคือ...เจือจางความร้อนจะถูกกระจายไปภายในชิปเอง เหมือนกับการเทน้ำเดือดลงในสระว่ายน้ำ หากความร้อนถูกกระจายไปยังจุดที่เกิดความร้อนโดยตรง อุปกรณ์ที่ร้อนที่สุดก็จะเย็นลง และระบบระบายความร้อนแบบเดิม (ฮีทซิงค์ พัดลม ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว) ก็จะทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งต้องอาศัย...วัสดุที่มีค่าการนำความร้อนสูงและเป็นฉนวนไฟฟ้าผสานรวมเข้ากับทรานซิสเตอร์ที่ทำงานอยู่ภายในระยะนาโนเมตรโดยไม่รบกวนคุณสมบัติอันละเอียดอ่อนของมัน ตัวเลือกที่ไม่คาดคิดอย่างหนึ่งก็ตรงตามข้อกำหนดนี้:เพชร.

ทำไมต้องเพชร?

เพชรเป็นตัวนำความร้อนที่ดีที่สุดชนิดหนึ่งเท่าที่รู้จักกัน—สูงกว่าทองแดงหลายเท่า—ในขณะเดียวกันก็เป็นฉนวนไฟฟ้าด้วย ข้อเสียคือการรวมเข้ากับวงจร: วิธีการผลิตแบบดั้งเดิมต้องใช้ความร้อนประมาณ 900–1000 °C หรือสูงกว่านั้น ซึ่งจะทำให้วงจรขั้นสูงเสียหาย ความก้าวหน้าล่าสุดแสดงให้เห็นว่าเพชรบางๆเพชรผลึกหลายเหลี่ยมฟิล์ม (ที่มีความหนาเพียงไม่กี่ไมโครเมตร) สามารถปลูกได้ที่อุณหภูมิที่ต่ำกว่ามากเหมาะสำหรับอุปกรณ์สำเร็จรูป

ตู้แช่เย็นในปัจจุบันและข้อจำกัดของมัน

ระบบระบายความร้อนกระแสหลักมุ่งเน้นไปที่ฮีทซิงค์ พัดลม และวัสดุเชื่อมต่อที่ดีขึ้น นักวิจัยยังสำรวจระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบไมโครฟลูอิดิก วัสดุเปลี่ยนสถานะ และแม้กระทั่งการจุ่มเซิร์ฟเวอร์ลงในของเหลวที่มีคุณสมบัติการนำความร้อนและฉนวนไฟฟ้า สิ่งเหล่านี้เป็นขั้นตอนสำคัญ แต่ก็อาจมีขนาดใหญ่ ราคาแพง หรือไม่เหมาะสมกับเทคโนโลยีที่กำลังเกิดขึ้นใหม่เรียงซ้อน 3 มิติสถาปัตยกรรมชิปที่ชั้นซิลิคอนหลายชั้นทำหน้าที่เหมือน "ตึกระฟ้า" ในโครงสร้างแบบนี้ ทุกชั้นจะต้องระบายความร้อนออกไป มิฉะนั้นจะเกิดจุดร้อนสะสมอยู่ภายใน

วิธีการสร้างเพชรที่เป็นมิตรกับอุปกรณ์

เพชรผลึกเดี่ยวมีค่าการนำความร้อนสูงมาก (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹ ซึ่งสูงกว่าทองแดงประมาณหกเท่า) ฟิล์มผลึกหลายเหลี่ยมที่ผลิตได้ง่ายกว่าสามารถมีค่าใกล้เคียงกันได้เมื่อมีความหนาเพียงพอ และยังคงเหนือกว่าทองแดงแม้จะมีความหนาน้อยกว่าก็ตาม วิธีการตกตะกอนไอสารเคมีแบบดั้งเดิมจะทำปฏิกิริยากับมีเทนและไฮโดรเจนที่อุณหภูมิสูง ทำให้เกิดนาโนคอลัมน์เพชรแนวตั้งซึ่งต่อมาจะรวมตัวกันเป็นฟิล์ม เมื่อถึงตอนนั้นชั้นฟิล์มจะหนา มีความเครียด และมีแนวโน้มที่จะแตกได้ง่าย
การเติบโตที่อุณหภูมิต่ำต้องการสูตรที่แตกต่างออกไป การลดความร้อนลงเฉยๆ จะทำให้เกิดเขม่าที่เป็นตัวนำไฟฟ้าแทนที่จะเป็นเพชรที่เป็นฉนวน ขอแนะนำ...ออกซิเจนกัดเซาะคาร์บอนที่ไม่ใช่เพชรอย่างต่อเนื่อง ทำให้เพชรผลึกขนาดใหญ่ที่อุณหภูมิประมาณ 400 °Cซึ่งเป็นอุณหภูมิที่เหมาะสมกับวงจรรวมขั้นสูง ที่สำคัญยิ่งกว่านั้น กระบวนการนี้สามารถเคลือบได้ไม่เพียงแต่พื้นผิวแนวนอนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงพื้นผิวอื่นๆ ด้วยผนังด้านข้างซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับอุปกรณ์ 3 มิติโดยแท้จริง

ความต้านทานความร้อนที่ขอบเขต (TBR): คอขวดของโฟนอน

ความร้อนในของแข็งถูกนำพาโดยโฟนอน(การสั่นสะเทือนของแลตติสแบบควอนตัม) ที่ส่วนต่อประสานของวัสดุ โฟนอนสามารถสะท้อนและสะสมกัน ทำให้เกิดความต้านทานความร้อนที่ขอบเขต (TBR)ซึ่งขัดขวางการไหลของความร้อน วิศวกรรมส่วนต่อประสานพยายามลดค่า TBR แต่ตัวเลือกมีจำกัดเนื่องจากความเข้ากันได้ของสารกึ่งตัวนำ ที่ส่วนต่อประสานบางแห่ง การผสมผสานกันสามารถก่อให้เกิดชั้นบาง ๆ ได้ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)ชั้นที่มีลักษณะสเปกตรัมของโฟนอนเข้ากันได้ดีกว่าทั้งสองด้าน ทำหน้าที่เป็น "สะพาน" และลดค่า TBR ซึ่งช่วยปรับปรุงการถ่ายเทความร้อนจากอุปกรณ์ไปยังเพชร

แพลตฟอร์มทดสอบ: GaN HEMT (ทรานซิสเตอร์ความถี่วิทยุ)

ทรานซิสเตอร์ความคล่องตัวของอิเล็กตรอนสูง (HEMT) ที่ใช้แกลเลียมไนไตรด์ควบคุมกระแสในก๊าซอิเล็กตรอน 2 มิติ และเป็นที่นิยมสำหรับการทำงานที่ความถี่สูงและกำลังสูง (รวมถึงย่านความถี่ X-band ≈8–12 GHz และย่านความถี่ W-band ≈75–110 GHz) เนื่องจากความร้อนเกิดขึ้นใกล้กับพื้นผิวมาก จึงเป็นเครื่องมือที่ยอดเยี่ยมในการตรวจสอบชั้นกระจายความร้อนแบบ in-situ ใดๆ เมื่อหุ้มอุปกรณ์ด้วยเพชรบางๆ รวมถึงผนังด้านข้าง อุณหภูมิของช่องสัญญาณจะลดลง~70 องศาเซลเซียสโดยมีการปรับปรุงประสิทธิภาพด้านความร้อนที่กำลังไฟสูงอย่างมีนัยสำคัญ

เพชรใน CMOS และโครงสร้าง 3 มิติ

ในการคำนวณขั้นสูงการซ้อนภาพแบบ 3 มิติการเพิ่มความหนาแน่นของการรวมวงจรและประสิทธิภาพ แต่สร้างปัญหาคอขวดด้านความร้อนภายใน ซึ่งทำให้ระบบระบายความร้อนภายนอกแบบดั้งเดิมมีประสิทธิภาพน้อยที่สุด การรวมเพชรเข้ากับซิลิคอนสามารถสร้างประโยชน์ได้อีกครั้งชั้นกลาง SiCส่งผลให้ได้อินเทอร์เฟซความร้อนคุณภาพสูง
สถาปัตยกรรมที่เสนอแบบหนึ่งคือนั่งร้านกันความร้อนแผ่นเพชรบางระดับนาโนเมตรฝังอยู่เหนือทรานซิสเตอร์ภายในฉนวนไฟฟ้า โดยเชื่อมต่อกันด้วยรูระบายความร้อนแนวตั้ง ("เสาระบายความร้อน")ทำจากทองแดงหรือเพชรเพิ่มเติม เสาเหล่านี้จะส่งผ่านความร้อนจากชั้นหนึ่งไปยังอีกชั้นหนึ่งจนกระทั่งถึงตัวระบายความร้อนภายนอก การจำลองด้วยภาระงานที่สมจริงแสดงให้เห็นว่าโครงสร้างดังกล่าวสามารถลดอุณหภูมิสูงสุดได้มากถึงระดับหนึ่งในชุดทดสอบแนวคิด (proof-of-concept stacks)

สิ่งที่ยังคงยากอยู่

ความท้าทายที่สำคัญ ได้แก่ การทำให้พื้นผิวด้านบนของเพชรแบนราบระดับอะตอมเพื่อการผสานรวมอย่างราบรื่นกับส่วนเชื่อมต่อและฉนวนที่อยู่ด้านบน และการปรับปรุงกระบวนการเพื่อให้ฟิล์มบางยังคงรักษาคุณสมบัติการนำความร้อนที่ดีเยี่ยมโดยไม่ทำให้วงจรที่อยู่ด้านล่างเสียหาย

ลุค

หากแนวทางเหล่านี้ได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องการกระจายความร้อนด้วยเพชรภายในชิปอาจช่วยลดข้อจำกัดด้านความร้อนใน CMOS, RF และอิเล็กทรอนิกส์กำลังได้อย่างมาก ทำให้ได้ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น ความน่าเชื่อถือที่มากขึ้น และการรวมวงจร 3 มิติที่หนาแน่นขึ้นโดยไม่มีข้อเสียด้านความร้อนตามปกติ