211service.com
Grafen hjälper koppartrådar att hålla sig svala
När folk i chipindustrin pratar om de termiska problemen i datorprocessorer blir de dramatiska. 2001 noterade Pat Gelsinger, då Intels vicepresident, att om temperaturerna som produceras av de senaste chipsen fortsatte att stiga på sin nuvarande väg, skulle de överstiga värmen från en kärnreaktor 2005 och solens yta 2015. Lyckligtvis avvärjdes en sådan termisk katastrof genom att bromsa omkopplingshastigheterna i mikroprocessorer och genom att anta flerkärniga chipdesigner där flera processorer körs parallellt.
Svalkar: En närbild visar koppar innan grafen har tillsatts (överst), och efter (nedan).
Nu har halvledarindustrin ytterligare ett termiskt problem att lösa. När chipkomponenter krymper måste kopparledningarna som förbinder dem också krympa. Och när dessa trådar blir tunnare, värms de upp enormt.
En potentiell lösning på denna sammankopplingsfeber har hittats i form av grafen, ett exotiskt material tillverkat av enatomtjocka ark av kol som är en superlativ ledare av både elektroner och värme.
Materialforskare använder redan koppar som en katalysator för att odla grafen för andra ändamål. Så Alexander balandin vid University of California, Riverside, och Kostya Novoselov , en fysiker vid University of Manchester, U.K., som vann 2010 Nobelpriset i fysik för sitt grundläggande arbete med grafen (se Graphene vinner Nobelpriset), bestämde sig för att lämna grafenet på kopparn för att se hur det påverkade metallens termiska egenskaper. I en artikel publicerad i tidskriften Nanobokstäver , rapporterar de att en smörgås gjord av grafen på båda sidor av en kopparskiva förbättrar kopparns förmåga att avleda värme med 25 procent - en betydande siffra för chipdesigners.
Balandin säger att grafenet i sig inte verkar leda bort värmen. Snarare förändrar det kopparns struktur, vilket förbättrar metallens ledande egenskaper. Värme som rör sig genom koppar bromsas vanligtvis av metallens kristallina struktur. Grafen förändrar den här strukturen, vilket gör att väggarna flyttas längre ifrån varandra och låter värme flöda lättare, säger Balandin.
Studier gjordes med relativt tjocka skivor av koppar - mycket större än koppartrådarna som finns i datorchips - men Balandin förväntar sig att den värmeledande effekten kommer att ses i tunnare koppartrådar också. Han arbetar nu med koppar-grafen-trådar som är lika små som de som används i kommersiella datorchips.
Problemet är akut. I år förväntas Intel tillkännage produkter som innehåller 14-nanometer transistorer, med kopparkopplingar ungefär i denna skala eller ännu mindre. Koppartrådar fungerar inte under 10 nanometer, och det är inte klart vad som kommer att fungera. Vi har ännu inte hittat ett sammankopplingsmaterial som kan fungera längre än 10 nanometer, delvis på grund av överhettning, säger Saroj Nayak , en fysiker vid Center for Integrated Electronics vid Rensselaer Polytechnic Institute i Troy, New York.
Majeed Foad, en elektroingenjör på Tillämpade material , en tillverkare av halvledarutrustning med huvudkontor i Santa Clara, Kalifornien, som hjälper företaget att spåra forskning om nya material, säger att grafens egenskaper är spännande, men tillägger att när chipkomponenter miniatyriseras blir de känsligare för höga temperaturer. Det krävs mycket värme för att göra grafen av god kvalitet — Balandin och Novoselov värmde upp sina ledningar till över 1 000 °C. Foad säger att sådana temperaturer skulle försämra transistorer och andra chipkomponenter. Balandin pekar dock på laboratorieexperiment som visar att grafen kan odlas vid lägre temperaturer, åtminstone i forskningsmiljön.
Oavsett, säger Foad, kommer chiptillverkarna inte att ha bråttom att ta till sig grafen. Att byta material är väldigt smärtsamt, så vi kommer att pressa ut varenda droppe prestanda ur det vi har, säger han.
Det är uppenbart att det inte kommer att vara hållbart mycket längre att bara proppa in fler transistorer i processorer och sätta in fler processorer i chips. High-end chips innehåller redan cirka 50 till 60 kilometer kopparledningar och flera kärnor.
Jonathan Candelaria , chef för sammankopplingsforskning vid Semiconductor Research Corporation, ett industrikonsortium i Durham, North Carolina, säger att att lägga till fler transistorer inte förbättrar prestandan som det brukade göra. Lösningen kan återigen visa sig vara att anta fundamentalt olika arkitekturer. Nya sätt att designa och förpacka chips skulle kunna hjälpa till att lösa värmeproblemet, säger Candelaria, och det kommer att ge industrin tid att lösa problem med nya material, kanske inklusive de nya grafen-kopparhybriderna.