کشف راز تراشه‌های نوین: افزایش کارایی با نوآوری حرارتی

تحولی در طراحی تراشه‌های کامپیوتری با کشف جدیدی در انتقال حرارت

در یک گام به سوی طراحی تراشه‌های کامپیوتری قدرتمندتر و کارآمدتر، محققان دانشگاه ویرجینیا یک اصل کلیدی در زمینه انتقال حرارت در فیلم‌های نازک فلزی را تأیید کرده‌اند. این اصل جزء حیاتی در رقابت برای طراحی دستگاه‌های سریع‌تر، کوچک‌تر و کارآمدتر است. این تحقیق که در نشریه Nature Communications منتشر شده و با حمایت شرکت تحقیقات نیمه‌هادی و همکاری اینتل انجام شده، به درک بهتری از نحوه عملکرد رسانایی حرارتی در فلزات مورد استفاده در تراشه‌های نسل آینده می‌انجامد و امکاناتی را برای پیشرفت‌های فناوری در مقیاس‌هایی که قبلاً غیرقابل تصور بودند، فراهم می‌کند.

مدیر تحقیق و دانشجوی دکتری مهندسی مکانیک و هوافضا، Md. Rafiqul Islam، گفت: “با کوچک‌تر شدن دستگاه‌ها، اهمیت مدیریت حرارت به شدت افزایش می‌یابد.” او افزود: “به عنوان مثال، در کنسول‌های بازی پیشرفته یا مراکز داده مبتنی بر هوش مصنوعی، پردازش‌های پرقدرت و مداوم معمولاً منجر به بروز گلوگاه‌های حرارتی می‌شود. یافته‌های ما یک نقشه راه برای کاهش این مشکلات ارائه می‌دهد و به ما کمک می‌کند تا نحوه انتقال حرارت از طریق فلزات فوق‌العاده نازک مانند مس را بهبود بخشیم.”

درک علم: حرارت در مقیاس نانو

مس، به دلیل خواص رسانایی عالی خود، در مقیاس‌های نانو با چالش‌های قابل توجهی مواجه است. در این مقیاس‌های کوچک، حتی بهترین مواد نیز به دلیل افزایش حرارت، کاهش عملکرد را تجربه می‌کنند. این پدیده در مس تشدید می‌شود و منجر به کاهش رسانایی و کارایی می‌گردد. برای حل این مشکل، تیم دانشگاه ویرجینیا بر روی یک عنصر حیاتی در علم حرارت به نام قاعده ماتیسن تمرکز کرد که در فیلم‌های نازک مس تأیید شده است. این قاعده که به طور سنتی به پیش‌بینی تأثیر فرآیندهای پراکندگی مختلف بر جریان الکترون کمک می‌کند، تا کنون به طور کامل در مواد مقیاس نانو تأیید نشده بود.

با استفاده از یک روش نوین به نام ترمورفلکتانس پایدار (SSTR)، تیم به اندازه‌گیری رسانایی حرارتی مس پرداخته و آن را با داده‌های مقاومت الکتریکی مقایسه کرد. این مقایسه مستقیم نشان داد که قاعده ماتیسن، زمانی که با پارامترهای خاصی اعمال شود، به طور قابل اعتمادی نحوه حرکت حرارت در فیلم‌های مسی حتی در ضخامت‌های نانو را توصیف می‌کند.

تأثیر: چیپ‌های خنک‌تر، سریع‌تر و کوچکتر

چرا این موضوع اهمیت دارد؟ در دنیای فناوری ادغام بسیار بزرگ (VLSI)، جایی که مدارها در فضاهای تنگ قرار می‌گیرند، مدیریت مؤثر حرارت به طور مستقیم به بهبود عملکرد منجر می‌شود. این تحقیق نه تنها به آینده‌ای اشاره دارد که در آن دستگاه‌های ما خنک‌تر کار می‌کنند، بلکه همچنین وعده کاهش انرژی هدر رفته به شکل حرارت را می‌دهد که برای فناوری پایدار بسیار حائز اهمیت است. با تأیید اینکه قانون متیسن حتی در ابعاد نانو نیز برقرار است، تیم تحقیقاتی راه را برای بهبود مواد مورد استفاده در اتصال مدارها در چیپ‌های پیشرفته کامپیوتری هموار کرده و استانداردی برای رفتار مواد فراهم کرده است که تولیدکنندگان می‌توانند به آن اعتماد کنند.

پاتریک ای. هاپکینز، مشاور ایسام و استاد مهندسی ویتنی استون، گفت: “به این موضوع به عنوان یک نقشه راه فکر کنید. با تأیید این قانون، طراحان چیپ اکنون یک راهنمای معتبر برای پیش‌بینی و کنترل رفتار حرارت در فیلم‌های نازک مسی دارند. این یک تغییر بزرگ در تولید چیپ‌هایی است که نیازهای انرژی و عملکرد فناوری‌های آینده را برآورده می‌کند.”

همکاری برای آینده الکترونیک

موفقیت این مطالعه نمایانگر همکاری بین دانشگاه ویرجینیا (UVA)، اینتل و شرکت تحقیقاتی نیمه‌هادی است که قدرت مشارکت‌های دانشگاهی و صنعتی را نشان می‌دهد. یافته‌ها وعده کاربردهای قابل توجهی در توسعه فناوری CMOS نسل بعدی را می‌دهند که اساس الکترونیک مدرن است. CMOS، یا نیمه‌هادی اکسید فلزی مکمل، فناوری استاندارد برای ساخت مدارهای مجتمع است که همه چیز از کامپیوترها و تلفن‌ها تا دستگاه‌های خودرویی و پزشکی را راه‌اندازی می‌کند.

با ترکیب بینش‌های تجربی با مدل‌سازی پیشرفته، محققان UVA درهای جدیدی را به سوی موادی گشوده‌اند که نه تنها دستگاه‌های کارآمدتری را به حرکت در می‌آورند، بلکه پتانسیل صرفه‌جویی انرژی قابل توجهی را در سراسر صنعت دارند. در زمینه‌ای که هر درجه کنترل دما اهمیت دارد، این بینش‌ها یک گام حیاتی به جلو برای صنعت الکترونیک محسوب می‌شوند و آینده‌ای از دستگاه‌های خنک‌تر، سریع‌تر و پایدارتر را از همیشه قابل دستیابی‌تر می‌سازند.