आधुनिक चिप्स गर्म क्यों हो जाती हैं?

नैनोस्केल ट्रांजिस्टर गीगाहर्ट्ज़ की गति से काम करते हैं, जिससे इलेक्ट्रॉन सर्किट में तेज़ी से प्रवाहित होते हैं और ऊष्मा के रूप में ऊर्जा खो देते हैं—वही ऊष्मा जो आपको लैपटॉप या फ़ोन के असहज रूप से गर्म होने पर महसूस होती है। चिप पर जितने ज़्यादा ट्रांजिस्टर लगाए जाते हैं, उतनी ही कम जगह उस ऊष्मा को बाहर निकालने के लिए बचती है। सिलिकॉन में समान रूप से फैलने के बजाय, ऊष्मा कुछ खास जगहों पर जमा हो जाती है, जो आसपास के क्षेत्रों की तुलना में कई डिग्री ज़्यादा गर्म हो सकती हैं। नुकसान और प्रदर्शन में कमी से बचने के लिए, तापमान बढ़ने पर सिस्टम CPU और GPU की गति को कम कर देते हैं।

तापीय चुनौती का दायरा

छोटे आकार के उपकरणों की होड़ से शुरू हुआ यह सफर अब हर तरह के इलेक्ट्रॉनिक्स में ऊष्मा से जूझने की चुनौती बन गया है। कंप्यूटिंग में, प्रदर्शन के लिए बिजली की खपत लगातार बढ़ती जा रही है (व्यक्तिगत सर्वर दसियों किलोवाट तक बिजली की खपत कर सकते हैं)। संचार में, डिजिटल और एनालॉग दोनों तरह के सर्किट को मजबूत सिग्नल और तेज डेटा के लिए ट्रांजिस्टर की अधिक शक्ति की आवश्यकता होती है। पावर इलेक्ट्रॉनिक्स में, बेहतर दक्षता तेजी से ऊष्मा संबंधी बाधाओं के कारण सीमित होती जा रही है।

एक अलग रणनीति: चिप के अंदर गर्मी फैलाना

गर्मी को केंद्रित होने देने के बजाय, एक आशाजनक विचार यह है किपतलाचिप के भीतर ही ऊष्मा का वितरण करना—जैसे किसी स्विमिंग पूल में उबलता हुआ पानी डालना। यदि ऊष्मा वहीं वितरित हो जहाँ वह उत्पन्न होती है, तो सबसे गर्म उपकरण ठंडे रहते हैं और पारंपरिक कूलर (हीट सिंक, पंखे, लिक्विड लूप) अधिक प्रभावी ढंग से काम करते हैं। इसके लिए आवश्यकता होती है...उच्च तापीय चालकता वाला, विद्युतरोधी पदार्थसक्रिय ट्रांजिस्टरों की नाजुक विशेषताओं को प्रभावित किए बिना, उन्हें मात्र नैनोमीटर की दूरी पर एकीकृत किया जा सकता है। एक अप्रत्याशित उम्मीदवार इस आवश्यकता को पूरा करता है:डायमंड.

हीरा ही क्यों?

हीरा सबसे अच्छे ज्ञात ऊष्मीय चालकों में से एक है—तांबे से कई गुना अधिक—साथ ही यह एक विद्युत कुचालक भी है। समस्या एकीकरण की है: पारंपरिक विकास विधियों के लिए लगभग 900-1000 डिग्री सेल्सियस या उससे अधिक तापमान की आवश्यकता होती है, जो उन्नत परिपथों को नुकसान पहुंचा सकता है। हाल के विकास से पता चलता है कि पतलेबहुक्रिस्टलीय हीराकुछ माइक्रोमीटर मोटी फिल्मों को उगाया जा सकता हैबहुत कम तापमानतैयार उपकरणों के लिए उपयुक्त।

आज के कूलर और उनकी सीमाएँ

मुख्य शीतलन तकनीक बेहतर हीट सिंक, पंखे और इंटरफ़ेस सामग्री पर केंद्रित है। शोधकर्ता माइक्रोफ्लुइडिक लिक्विड कूलिंग, फेज-चेंज मटेरियल और यहां तक ​​कि सर्वरों को ऊष्मीय रूप से प्रवाहकीय, विद्युत रूप से इन्सुलेटिंग तरल पदार्थों में डुबोने जैसे प्रयोगों का भी पता लगा रहे हैं। ये महत्वपूर्ण कदम हैं, लेकिन ये भारी-भरकम, महंगे या उभरती हुई तकनीकों के अनुरूप नहीं हो सकते हैं।3 डी-खड़ीचिप आर्किटेक्चर में, जहां कई सिलिकॉन परतें "गगनचुंबी इमारत" की तरह व्यवहार करती हैं। ऐसे स्टैक में, प्रत्येक परत को गर्मी बाहर निकालनी चाहिए; अन्यथा हॉटस्पॉट अंदर ही फंस जाते हैं।

डिवाइस-फ्रेंडली डायमंड कैसे उगाएं

एकल-क्रिस्टल हीरे की तापीय चालकता असाधारण होती है (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, जो तांबे की तुलना में लगभग छह गुना अधिक है)। आसानी से बनने वाली बहुक्रिस्टलीय फिल्में पर्याप्त मोटाई होने पर इन मूल्यों के करीब पहुंच सकती हैं—और पतली होने पर भी तांबे से बेहतर होती हैं। पारंपरिक रासायनिक वाष्प निक्षेपण में मीथेन और हाइड्रोजन उच्च तापमान पर प्रतिक्रिया करते हैं, जिससे ऊर्ध्वाधर हीरे के नैनोस्तंभ बनते हैं जो बाद में एक फिल्म में विलीन हो जाते हैं; तब तक परत मोटी, तनावग्रस्त और दरार पड़ने की संभावना वाली हो जाती है।
कम तापमान पर वृद्धि के लिए एक अलग विधि की आवश्यकता होती है। केवल तापमान कम करने से इन्सुलेटिंग हीरे के बजाय सुचालक कालिख प्राप्त होती है। परिचयऑक्सीजनयह लगातार गैर-हीरा कार्बन को उत्कीर्ण करता है, जिससे यह संभव हो पाता है।लगभग 400 डिग्री सेल्सियस पर बड़े दाने वाला पॉलीक्रिस्टलाइन हीरायह प्रक्रिया उन्नत एकीकृत परिपथों के अनुकूल तापमान पर काम करती है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि यह प्रक्रिया न केवल क्षैतिज सतहों बल्कि अन्य सतहों पर भी कोटिंग कर सकती है।पार्श्व दीवारेंजो कि स्वाभाविक रूप से 3डी उपकरणों के लिए मायने रखता है।

थर्मल बाउंड्री प्रतिरोध (टीबीआर): फोनन अड़चन

ठोस पदार्थों में ऊष्मा का परिवहन निम्न द्वारा होता है:फोनोन(क्वांटाइज्ड लैटिस कंपन)। पदार्थ इंटरफेस पर, फोनन परावर्तित होकर जमा हो सकते हैं, जिससे उत्पन्न होता हैथर्मल बाउंड्री प्रतिरोध (टीबीआर)जो ऊष्मा प्रवाह को बाधित करता है। इंटरफ़ेस इंजीनियरिंग का उद्देश्य TBR को कम करना है, लेकिन विकल्प सेमीकंडक्टर अनुकूलता द्वारा सीमित हैं। कुछ इंटरफ़ेस पर, अंतर्मिश्रण एक पतली परत बना सकता है।सिलिकॉन कार्बाइड (SiC)एक ऐसी परत जो दोनों तरफ फोनन स्पेक्ट्रा से बेहतर मेल खाती है, एक "पुल" के रूप में कार्य करती है और टीबीआर को कम करती है - इस प्रकार उपकरणों से हीरे में ऊष्मा स्थानांतरण में सुधार होता है।

एक परीक्षण मंच: GaN HEMT (रेडियो-फ्रीक्वेंसी ट्रांजिस्टर)

गैलियम नाइट्राइड पर आधारित उच्च-इलेक्ट्रॉन-गतिशीलता ट्रांजिस्टर (HEMT) 2D इलेक्ट्रॉन गैस में धारा को नियंत्रित करते हैं और उच्च आवृत्ति, उच्च शक्ति संचालन (जिसमें X-बैंड ≈8–12 GHz और W-बैंड ≈75–110 GHz शामिल हैं) के लिए मूल्यवान हैं। चूंकि ऊष्मा सतह के बहुत निकट उत्पन्न होती है, इसलिए वे किसी भी इन-सीटू ऊष्मा-प्रसार परत की उत्कृष्ट जांच के लिए उपयुक्त हैं। जब पतले हीरे से उपकरण को - पार्श्व दीवारों सहित - घेर लिया जाता है, तो चैनल के तापमान में गिरावट देखी गई है।लगभग 70 डिग्री सेल्सियसउच्च शक्ति पर थर्मल हेडस्पेस में पर्याप्त सुधार के साथ।

CMOS और 3D स्टैक में हीरा

उन्नत कंप्यूटिंग में,3डी स्टैकिंगइससे एकीकरण घनत्व और प्रदर्शन बढ़ता है, लेकिन आंतरिक तापीय अवरोध उत्पन्न होते हैं जहाँ पारंपरिक, बाहरी कूलर सबसे कम प्रभावी होते हैं। सिलिकॉन के साथ हीरे को एकीकृत करने से फिर से लाभकारी परिणाम प्राप्त हो सकते हैं।SiC इंटरलेयरजिससे उच्च गुणवत्ता वाला थर्मल इंटरफ़ेस प्राप्त होता है।
एक प्रस्तावित वास्तुकला इस प्रकार है:थर्मल मचान: नैनोमीटर-पतली हीरे की चादरें, जो डाइइलेक्ट्रिक के भीतर ट्रांजिस्टर के ऊपर एम्बेडेड होती हैं, आपस में जुड़ी होती हैं।ऊर्ध्वाधर तापीय वाया ("ऊष्मा स्तंभ")तांबे या अतिरिक्त हीरे से बने ये स्तंभ ऊष्मा को एक परत से दूसरी परत तक तब तक पहुंचाते हैं जब तक कि वह बाहरी कूलर तक न पहुंच जाए। वास्तविक कार्यभार के साथ किए गए सिमुलेशन से पता चलता है कि ऐसी संरचनाएं अधिकतम तापमान को कम कर सकती हैं।परिमाण के क्रम तकप्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट स्टैक में।

क्या अभी भी कठिन बना हुआ है?

प्रमुख चुनौतियों में हीरे की ऊपरी सतह बनाना शामिल है।परमाणु रूप से सपाटऊपरी इंटरकनेक्ट और डाइइलेक्ट्रिक्स के साथ निर्बाध एकीकरण के लिए, और प्रक्रियाओं को परिष्कृत करने के लिए ताकि पतली फिल्में अंतर्निहित सर्किटरी पर दबाव डाले बिना उत्कृष्ट थर्मल चालकता बनाए रखें।

आउटलुक

यदि ये दृष्टिकोण और अधिक परिपक्व होते रहे,चिप के भीतर हीरे की ऊष्मा का प्रसारइससे CMOS, RF और पावर इलेक्ट्रॉनिक्स में थर्मल सीमाओं को काफी हद तक कम किया जा सकता है—जिससे सामान्य थर्मल नुकसान के बिना उच्च प्रदर्शन, अधिक विश्वसनीयता और सघन 3D एकीकरण संभव हो सकेगा।