Многим хорошо известна проблема охлаждения процессоров и других чипов. По мере снижения технологических норм производства острота проблемы нарастает, поскольку плотность энергии значительно растёт. Как выяснили учёные, кремний может повысить эффективность отвода тепла только за счёт повышения своей изотопной чистоты. Опыты показали, что «естественный» теплоотвод чипов можно увеличить до 2,5 раз.
Источник изображения: Junqiao Wu/Berkeley Lab
Как известно, весь кремний в нашей природе состоит из трёх стабильных форм изотопов: примерно 92 % это кремний-28 (28Si), 5 % — кремний-29 (29Si) и 3 % — кремний-30 (30Si). Для производства чипов никто кремний не очищает, хотя ранние исследования показали, что изотоп кремний-28 обладает лучшей среди всех изотопов кремния теплопроводностью, а вкрапления примесей 29Si и 30Si прерывают тепловые потоки. Считалось, что выигрыш едва превышает 10 % при значительно растущих затратах на очистку.
Учёные из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли поставили эксперимент, в ходе которого попытались оценить степень влияния очистки кремния на теплоотвод. Они соединили два термоэлемента нанопроводками шириной 90 нм и провели измерения теплопередачи. Выяснилось, что чистый кремний-28 улучшает перенос тепла от нагревательного элемента к другому на 150 %, а не на 10 %, как считалось ранее. При ближайшем рассмотрении оказалось, что поверхность нанопроволоки покрылась диоксидом кремния, что предотвратило паразитное рассеивание тепла по всей поверхности нанопроволоки, а тепловой поток сконцентрировался по её центру.
Учёные не дают никаких рецептов для организации теплоотвода от чипов по-новому. Но они показали возможность кратного повышения эффективности отвода тепла от кристаллов, что будет стоить свеч — затрат на производство изотопно-чистого кремния для будущих чипов.