ادغام الماس با سیلیکون؛ راهکار استنفورد برای خنک‌سازی نسل جدید پردازنده‌ها

همزمان با قدرتمندتر شدن تراشه‌ها، مشکل تولید گرما به یک مانع بزرگ در افزایش سرعت پردازشی تبدیل شده است. حال تکنیک جدیدی که در دانشگاه استنفورد ابداع شده، امکان ساخت پوشش‌های الماسی روی تراشه‌ها را بدون آسیب رساندن به مدارهای حساس فراهم می‌کند. این نوآوری می‌تواند نقاط داغ در CPU و GPU از بین ببرد و راه را برای دستگاه‌های قدرتمندتر و کارآمدتر هموار کند.

با حرکت جهان به سمت هوش مصنوعی و محاسبات فوق سریع، پردازنده‌ها قدرتمندتر و در عین حال داغ‌تر شده‌اند. تجمع گرما در فضای فشرده تراشه‌ها که به دلیل فعالیت میلیاردها ترانزیستور رخ می‌دهد، به یک گلوگاه اساسی برای ساخت پردازنده‌های سریع‌تر تبدیل شده است. این حرارت اضافی نه تنها باعث ایجاد گلوگاه برای عملکرد پردازنده‌ها می‌شود، بلکه عمر مفید آن‌ها را نیز کاهش می‌دهد.

به گزارش IEEE Spectrum، اکنون گروهی از محققان دانشگاه استنفورد راهکاری غیرمنتظره برای این چالش ارائه کرده‌اند: استفاده از الماس برای خنک‌سازی تراشه‌ها از درون.

چالش گرمای متمرکز در قلب تراشه‌ها

وقتی الکترون‌ها با سرعت‌‌های گیگاهرتزی در مدارهای نانومتری حرکت می‌کنند، بخشی از انرژی خود را به شکل گرما از دست می‌دهند. با کوچک‌تر شدن ابعاد و افزایش تراکم ترانزیستورها، فضای کافی برای خروج این گرما وجود ندارد. در نتیجه به جای پخش شدن یکنواخت، حرارت در نقاط خاصی به نام «نقاط داغ» یا Hot Spot متمرکز می‌شود که دمای آن‌ها می‌تواند ده‌ها درجه بالاتر از سایر بخش‌های تراشه باشد.

راهکارهای خنک‌سازی امروزی مانند هیت‌سینک‌ها، فن‌ها و خنک‌کننده‌های مایع، همگی راه‌حل‌هایی خارجی هستند که گرما را تنها پس از رسیدن به سطح تراشه دفع می‌کنند و تأثیر کمی بر نقاط داغ داخلی دارند. این محدودیت به ویژه در تراشه‌های سه‌بعدی مانند پردازنده‌های Ryzen X3D که چندین لایه پردازشی روی هم قرار می‌گیرند، به یک چالش جدی تبدیل شده است.

الماس، یک راه حل غیرمنتظره اما ایده‌آل

همه الماس را به دلیل قیمت بالا و سختی زیادش می‌شناسند. اما این ماده یکی از بهترین رساناهای حرارتی در جهان است و گرما را حدود شش برابر بهتر از مس منتقل می‌کند. همزمان، این ماده یک عایق الکتریکی عالی است که آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای استفاده در کنار مدارهای الکترونیکی حساس تبدیل می‌کند. با این حال، یک مانع بزرگ وجود دارد؛ فرآیند رشد الماس به طور سنتی به دمایی بیش از ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد نیاز دارد که برای نابود کردن مدارهای ظریف یک تراشه کافی است.

اینجا بود که تیم تحقیقاتی دانشگاه استنفورد به رهبری سرابانتی چاودری (Srabanti Chowdhury) به یک دستاورد بزرگ رسید. آن‌ها موفق شدند روشی برای رشد الماس پلی‌کریستال (Polycrystalline Diamond) در دمای پایین حدود ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد ابداع کنند. این دما به اندازه‌ای پایین است که به اتصالات و مدارهای پیچیده در تراشه‌های پیشرفته آسیبی نمی‌رساند.

غلبه بر موانع فنی: از مقاومت مرزی تا کاربرد عملی

یکی دیگر از چالش‌ها پدیده‌ای به نام «مقاومت حرارتی مرزی» (Thermal Boundary Resistance) بود؛ پدیده‌ای که در آن جریان گرما در مرز بین دو ماده مختلف با مانع روبه‌رو می‌شود. محققان به طور تصادفی دریافتند که در حین فرآیند رشد الماس روی نیترید گالیوم (GaN)، یک لایه بسیار نازک از کاربید سیلیکون (Silicon Carbide) در سطح مشترک تشکیل می‌شود. این لایه مانند یک پل حرارتی عمل کرده و به انتقال روان‌تر گرما از نیمه‌رسانا به الماس کمک شایانی می‌کند.

نخستین آزمایش‌ها روی ترانزیستورهای نیترید گالیوم (GaN HEMT) که در سیستم‌های فرکانس بالا کاربرد دارند، نتایج شگفت‌انگیزی به همراه داشت. افزودن پوشش الماس دمای دستگاه را بیش از ۵۰ درجه سانتی‌گراد کاهش داد و قدرت تقویت سیگنال آن را تا پنج برابر افزایش داد.

آینده‌ای روشن برای تراشه‌های سه‌بعدی و همکاری غول‌های فناوری

پتانسیل واقعی این فناوری در تراشه‌های محاسباتی سیلیکونی، به ویژه در نسل جدید پردازنده‌های سه بعدی، نهفته است. محققان طرحی به نام «داربست حرارتی» (Thermal Scaffolding) را پیشنهاد کرده‌اند. در این طرح، لایه‌های نازک الماس درون تراشه برای پخش افقی گرما قرار می‌گیرند و ستون‌های حرارتی عمودی (Thermal Pillars) گرما را بین لایه‌های مختلف جابجا کرده و به بیرون هدایت می‌کنند. شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد این روش می‌تواند دمای بخش‌های درونی تراشه را تا یک‌دهم کاهش دهد.

این پیشرفت چشمگیر توجه غول‌های صنعت نیمه‌رسانا مانند TSMC، سامسونگ، Applied Materials و Micron را به خود جلب کرده است. همچنین پروژه‌هایی با همکاری آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی آمریکا (DARPA) در جریان است تا این فناوری در کاربردهای نظامی و ارتباطی نیز به کار گرفته شود.

در همین رابطه بخوانید:

- از حرارت به نور؛ چگونه لیزر پردازنده‌ها را از درون خنک می‌کند؟ 

اگرچه هنوز چالش‌هایی مانند مسطح‌سازی سطح الماس باقی مانده است، اما به نظر می‌رسد این فناوری می‌تواند به یک استاندارد صنعتی جدید برای مدیریت حرارتی تبدیل شده و راه را برای نسل بعدی افزاره‌های الکترونیک قدرتمند که دیگر توسط گرما محدود نمی‌شود، هموار کند.