Ontsluiten van de efficiëntie van de volgende generatie chip: onderzoekers bevestigen thermische inzichten voor kleine circuits

In een sprong naar krachtigere en efficiëntere computerchips hebben onderzoekers van de Universiteit van Virginia een sleutelprincipe bevestigd dat de warmtestroom in dunne metaalfilms regelt: een cruciaal onderdeel in de race om snellere, kleinere en efficiëntere apparaten te ontwerpen.

Dit werk, gepubliceerd in Natuurcommunicatiebiedt een doorbraak in het begrijpen hoe thermische geleidbaarheid werkt in metalen die worden gebruikt in chips van de volgende generatie, waardoor mogelijkheden worden ontsloten voor technologische vooruitgang op schalen die ooit onhaalbaar werden geacht.

“Nu apparaten steeds kleiner worden, wordt het belang van het beheersen van de hitte van het grootste belang”, zegt hoofdonderzoeker en Ph.D. student Md. Rafiqul Islam. “Denk aan high-end gameconsoles of AI-gestuurde datacenters, waar constante, krachtige verwerking vaak tot thermische knelpunten leidt. Onze bevindingen bieden een blauwdruk om deze problemen te verzachten door de manier te verfijnen waarop warmte door ultradunne metalen zoals koper stroomt. “

Warmte op nanoschaal

Koper, dat veel wordt gebruikt vanwege zijn uitstekende geleidende eigenschappen, staat voor grote uitdagingen als apparaten worden verkleind tot nanometerafmetingen. Op zulke kleine schaal ondervinden zelfs de beste materialen een prestatieverlies als gevolg van de toegenomen hitte – een fenomeen dat wordt versterkt in koper, wat leidt tot een lagere geleidbaarheid en efficiëntie.

Om dit aan te pakken concentreerde het UVA-team zich op een cruciaal element van de thermische wetenschap, bekend als de regel van Matthiessen, die ze valideerden in ultradunne koperfilms. De regel, die traditioneel helpt voorspellen hoe verschillende verstrooiingsprocessen de elektronenstroom beïnvloeden, was tot nu toe nooit grondig bevestigd in materialen op nanoschaal.

Met behulp van een nieuwe methode die bekend staat als steady-state thermoreflectance (SSTR), heeft het team de thermische geleidbaarheid van koper gemeten en deze vergeleken met gegevens over de elektrische weerstand. Deze directe vergelijking toonde aan dat de regel van Matthiessen, wanneer toegepast met specifieke parameters, op betrouwbare wijze de manier beschrijft waarop warmte door koperfilms beweegt, zelfs bij diktes op nanoschaal.

Koelere, snellere en kleinere chips

Waarom doet dit er toe? In de wereld van Very Large Scale Integration (VLSI)-technologie, waar circuits in ongelooflijk kleine ruimtes zijn verpakt, vertaalt effectief warmtebeheer zich rechtstreeks in verbeterde prestaties. Dit onderzoek wijst niet alleen op een toekomst waarin onze apparaten koeler worden, maar belooft ook een vermindering van de hoeveelheid energie die verloren gaat door hitte – een dringende zorg voor duurzame technologie.

Door te bevestigen dat de regel van Matthiessen zelfs op nanoschaal geldt, heeft het team de weg vrijgemaakt voor het verfijnen van materialen die circuits in geavanceerde computerchips met elkaar verbinden, waardoor een norm wordt gesteld voor materiaalgedrag waarop fabrikanten kunnen vertrouwen.

“Zie het als een routekaart”, zegt Patrick E. Hopkins, Isam’s adviseur en de Whitney Stone Professor of Engineering. “Met de validatie van deze regel beschikken chipontwerpers nu over een vertrouwde gids om te voorspellen en te controleren hoe warmte zich zal gedragen in kleine koperfilms. Dit is een game-changer voor het maken van chips die voldoen aan de energie- en prestatie-eisen van toekomstige technologieën.”

Een samenwerking voor de toekomst van elektronica

Het succes van deze studie is te danken aan de samenwerking tussen UVA, Intel en de Semiconductor Research Corporation, wat de kracht van partnerschappen tussen de academische wereld en de industrie benadrukt. De bevindingen beloven belangrijke toepassingen in de ontwikkeling van de volgende generatie CMOS-technologie – de ruggengraat van moderne elektronica. CMOS, of complementaire metaaloxide-halfgeleider, is de standaardtechnologie voor het bouwen van geïntegreerde schakelingen die alles aansturen, van computers en telefoons tot auto- en medische apparaten.

Door experimentele inzichten te combineren met geavanceerde modellering hebben UVA-onderzoekers de deur geopend naar materialen die niet alleen efficiëntere apparaten aandrijven, maar ook het potentieel hebben voor impactvolle energiebesparingen in de hele industrie. In een veld waar elke graad van temperatuurbeheersing telt, markeren deze inzichten een cruciale stap voorwaarts voor de elektronica-industrie, waardoor een toekomst van koelere, snellere en duurzamere apparaten haalbaarder dan ooit wordt.