211service.com
Grafeen helpt koperdraden koel te blijven
Als mensen in de chipindustrie praten over de thermische problemen in computerprocessors, worden ze dramatisch. In 2001 merkte Pat Gelsinger, destijds vice-president van Intel, op dat als de temperaturen die door de nieuwste chips worden geproduceerd op hun huidige pad zouden blijven stijgen, ze in 2005 de hitte van een kernreactor en in 2015 het oppervlak van de zon zouden overschrijden. Gelukkig werd een dergelijke thermische ramp voorkomen door de schakelsnelheden in microprocessors te vertragen en door multicore-chipontwerpen toe te passen waarin verschillende processors parallel lopen.
Afkoelen: Een close-up toont koper voordat grafeen is toegevoegd (boven) en erna (onder).
Nu heeft de halfgeleiderindustrie een ander thermisch probleem om op te lossen. Naarmate chipcomponenten krimpen, moet de koperen bedrading die ze verbindt ook krimpen. En naarmate deze draden dunner worden, worden ze enorm warm.
Een mogelijke oplossing voor deze interconnectiekoorts is gevonden in de vorm van grafeen, een exotisch materiaal gemaakt van enkelvoudige atoomdikke koolstofplaten dat een overtreffende trap geleider is van zowel elektronen als warmte.
Materiaalwetenschappers gebruiken koper al als katalysator om grafeen voor andere toepassingen te laten groeien. Dus Alexander Balandin van de Universiteit van Californië, Riverside, en Kostya Novoselov , een natuurkundige aan de Universiteit van Manchester, V.K., die de Nobelprijs voor Natuurkunde 2010 voor zijn fundamentele werk met grafeen (zie Grafeen wint Nobelprijs ), besloot het grafeen op het koper te laten om te zien hoe het de thermische eigenschappen van het metaal beïnvloedde. In een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters , melden ze dat een sandwich gemaakt van grafeen aan beide zijden van een koperen plaat het vermogen van koper om warmte af te voeren met 25 procent verbetert - een significant cijfer voor chipontwerpers.
Balandin zegt dat het grafeen zelf de warmte niet lijkt af te voeren. Het verandert eerder de structuur van het koper, waardoor de geleidende eigenschappen van het metaal worden verbeterd. Warmte die door koper beweegt, wordt meestal vertraagd door de kristallijne structuur van het metaal. Grafeen verandert deze structuur, waardoor die muren verder uit elkaar schuiven en de warmte gemakkelijker kan stromen, zegt Balandin.
Er is onderzoek gedaan met relatief dikke vellen koper - veel groter dan de koperdraden die in computerchips worden gevonden - maar Balandin verwacht dat het warmtegeleidende effect ook zal worden waargenomen bij dunnere koperdraden. Hij werkt nu aan koper-grafeendraden die zo klein zijn als die in commerciële computerchips.
Het probleem is urgent. Dit jaar zal Intel naar verwachting producten aankondigen die 14 nanometer transistors bevatten, met koperen verbindingen van ongeveer deze schaal of zelfs kleiner. Koperdraden werken niet onder de 10 nanometer, en het is niet duidelijk wat wel. We hebben nog geen verbindingsmateriaal gevonden dat verder kan werken dan 10 nanometer, deels door oververhitting, zegt Saroj Nayak , een fysicus bij het Center for Integrated Electronics van het Rensselaer Polytechnic Institute in Troy, New York.
Majeed Foad, een elektrotechnisch ingenieur bij Toegepaste materialen , een fabrikant van halfgeleiderapparatuur met hoofdkantoor in Santa Clara, Californië, die het bedrijf helpt bij het volgen van onderzoek naar nieuwe materialen, zegt dat de eigenschappen van grafeen opwindend zijn, maar voegt eraan toe dat naarmate chipcomponenten worden geminiaturiseerd, ze gevoeliger worden voor hoge temperaturen. Er is veel warmte nodig om grafeen van goede kwaliteit te maken - Balandin en Novoselov verhitten hun draden tot meer dan 1000 °C. Foad zegt dat dergelijke temperaturen transistors en andere chipcomponenten zouden aantasten. Balandin wijst echter op laboratoriumexperimenten die aantonen dat grafeen bij lagere temperaturen kan worden gekweekt, althans in de onderzoeksomgeving.
Hoe dan ook, zegt Foad, chipmakers zullen geen haast hebben om grafeen te omarmen. Het veranderen van materiaal is erg pijnlijk, dus we zullen elke laatste druppel prestatie uit wat we hebben persen, zegt hij.
Het is duidelijk dat het simpelweg niet langer houdbaar is om meer transistors in processors te proppen en meer processors in chips te stoppen. High-end chips bevatten al zo'n 50 tot 60 kilometer koperen bedrading en meerdere kernen.
Jonathan Candelaria , directeur van interconnectieonderzoek bij de Semiconductor Research Corporation, een industrieconsortium in Durham, North Carolina, zegt dat het toevoegen van meer transistors de prestaties niet verbetert zoals vroeger. De oplossing kan opnieuw blijken te zijn om fundamenteel andere architecturen aan te nemen. Nieuwe manieren om chips te ontwerpen en te verpakken kunnen het hitteprobleem helpen oplossen, zegt Candelaria, en dit zal de industrie de tijd geven om problemen met nieuwe materialen op te lossen, inclusief de nieuwe grafeen-koperhybriden.