Az UCLA mérnökei bemutatták egy újszerű félvezető anyag sikeres integrálását a nagy teljesítményű számítógépes chipekbe, hogy csökkentsék a processzorok hőmérsékletét és javítsák teljesítményüket. Az előrelépés nagymértékben növeli a számítógépek energiahatékonyságát, és a jelenleg elérhető legjobb hőkezelő eszközöket meghaladó hőelvezetést tesz lehetővé.
A kutatást Yongjie Hu, a UCLA gépészmérnöki és űrmérnöki karának docense vezette. Az eredményt a Nature Electronics nemrég tette közzé.
A számítógépes processzorok az évek során a nanométeres mérettartományba zsugorodtak, és egyetlen számítógépes chipen több milliárd tranzisztor ül. Miközben a tranzisztorok megnövekedett száma segít a számítógépek gyorsabbá és nagyobb teljesítményűvé tételében, ez egyúttal több forró pontot is generál a rendkívül besűrített térben. Ha nincs hatékony módja a hő elvezetésének működés közben, a számítógépes processzorok lelassulnak, ami megbízhatatlan és nem hatékony számítástechnikát eredményez. Ráadásul a számítógépes chipek erősen koncentrált hője és a magasra emelkedő hőmérséklet miatt az eszközök túlmelegedésének megakadályozásához többletenergiára van szükség.
A probléma megoldása érdekében Hu és csapata 2018-ban úttörő munkát végzett egy új, ultrahatékony hőkezelő anyag kifejlesztésében. A kutatók laboratóriumukban hibamentes bór-arzenidet fejlesztettek ki, és megállapították, hogy az sokkal hatékonyabban vonja el és vezeti el a hőt, mint más ismert fém- vagy félvezető anyagok, például a gyémánt és a szilícium-karbid. Most először a csapat sikeresen demonstrálta az anyag hatékonyságát azzal, hogy nagy teljesítményű eszközökbe integrálta azt.
Kísérleteikben a kutatók gallium-nitridből készült, korszerű, nagy sávszélességű tranzisztorokkal, úgynevezett nagy elektronmozgékonyságú tranzisztorokkal (HEMT) ellátott számítógépes chipeket használtak. A processzorok közel maximális kapacitáson történő működtetésekor a bór-arzenidet hőelosztóként használó chipek a szobahőmérsékletről közel 87 Celsius-fokra hevültek. Ez lényegesen alacsonyabb, mint a gyémántot hőelosztásra használó chipeké, amelyeknél a hőmérséklet körülbelül 137 fokig emelkedett, vagy a szilíciumkarbidot használóknál, amelyeknél a hő körülbelül 167 fokig növekedett.
"Ezek az eredmények egyértelműen azt mutatják, hogy a bór-arzenid eszközök sokkal nagyobb működési teljesítményt képesek elviselni, mint a hagyományos hőkezelő anyagokat használó processzorok. A kísérleteinket olyan körülmények között végeztük, ahol a legtöbb jelenlegi technológia kudarcot vallana. Ez a fejlesztés egy új referencia-teljesítményt jelent, és nagy lehetőségeket mutat a nagy teljesítményű elektronikában és a jövő elektronikai csomagolásaiban" - mondta Hu. Szerinte a bór-arzenid ideális a hőkezeléshez, mert nemcsak kiváló hővezető képességű, hanem alacsony hőszállítási ellenállású anyag is egyben.
"Amikor a hő átlép egy határfelületen az egyik anyagból a másikba, jellemzően némi lassulás tapasztalható. A mi bór-arzenid anyagunk kulcsfontosságú jellemzője a nagyon alacsony hőhatár-ellenállás. Ez olyasmi, mintha a hőnek csak át kell lépnie egy járdaszegélyen, szemben egy akadály átugrásával" - szemléltette Hu felfedezésük jelentőségét.
A csapat kifejlesztette a bór-foszfidot is, mint másik kiváló hőterjesztő jelöltet. Kísérleteik során a kutatók először bemutatták, hogyan lehet bór-arzenidből félvezető szerkezetet építeni, majd az anyagot egy HEMT-chip kialakításába integrálták. A sikeres demonstráció megnyitotta az utat a technológia ipari alkalmazása előtt.
