半导体有救了?新技术让芯片更凉快
科技

半导体有救了?新技术让芯片更凉快

现在的处理器、GPU动辄几百瓦,电源和散热成了大问题。

劳伦斯伯克利国家实验室发表的一篇文章称,科学家们发现并展示了一种用于先进处理器的新材料,其导热效率提高了150%。处理器中的热量积聚是影响性能的一个大问题,而硅作为一个天然的热绝缘体,抑制了冷却。随着新的超薄硅纳米线技术的应用,人们希望芯片能够从一个相对简单的变化中变得更小、更快、更冷。已经测试的关键变化是使用同位素纯化的硅-28(Si-28)。

半导体有救了?新技术让芯片更凉快

硅便宜而丰富,但热传导性差,这对于拥有数百亿个晶体管、以GHz速度运转的微型芯片来说是个问题。天然硅由三种同位素组成:硅-28、硅-29和硅-30。硅-28是天然含量最高的,约占天然硅的92%。此外,人们早就知道Si-28是热的最佳导体。如果经过提纯,Si-28的导热性能比天然硅好10%左右。然而,这种优势一直被认为是不值得的,直到现在。

有时,随着补充技术的出现,技术是值得重新审视和评估的,这里似乎就是这种情况。简而言之,科学家们决定使用纯化的Si-28来制造超薄的纳米线。

半导体有救了?新技术让芯片更凉快

科学家吴俊桥和Joel Ager。由硅纳米线桥接的两个悬浮垫组成的微型装置的光学显微镜图像。(图片来源:劳伦斯伯克利国家实验室)。

最初,科学家们确认Si-28的导热性仅比天然硅好10%。下移到直径为1毫米的导线,情况仍然如此。然而,当他们创造出90纳米的Si-28纳米线(大约比人的头发细一千倍)时,热传导性提高了150%,这对他们来说是一个巨大的惊喜。他们原本只期望性能提高10-20%。

调查揭示了Si-28纳米线具有优良导热性的两个主要原因。 电子显微镜显示,Si-28纳米线有一个更完美的玻璃光泽,所以它们没有受到天然硅纳米线热传输中声子混淆/逃逸的缺点的影响。其次,在这些纳米线上形成了一个天然的二氧化硅层,使传输热量的声子保持在轨道上。总之,由于新材料的存在,以前观察到的两种声子阻断机制被大大减少。

那么,导热性能提高150%的硅纳米线有什么用?一些最先进的晶体管设计已经采用了硅纳米线。门-全-场效应晶体管(GAA-FET)使用硅纳米线堆叠在一起导电,但它们仍然受到热量堆积的影响。如果这种新材料可以被替代,那么处理器设计者就可以抓住一个相对快速和容易的胜利。

半导体有救了?新技术让芯片更凉快

三星的插图显示了包括GAA FET在内的各种晶体管技术(图片来源:三星)

展望未来,参与Si-28纳米线的研究团队希望做更多的工作来控制,而不是测量纳米线的热传导。通读资料文章,目前似乎严重缺乏可供进一步测试的纯化Si-28。上述实验中使用的样品来自前苏联时代的一家同位素制造厂。

如果效益真的像宣称的那样好,那么就有必要让一个或多个制造商重新开始提炼Si-28。考虑到进一步扩大工艺技术的难度,即使热导率提高50%也可能是这样做的足够理由,更不用说声称的150%的改进。