افشاگری: بهینه‌سازی چیپ‌های آینده با تحلیل‌های حرارتی جدید

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 را تأیید کرده‌اند که حاکم بر جریان حرارت در فیلم‌های نازک فلزی است. این اصل جزء حیاتی در رقابت برای طراحی دستگاه‌های سریع‌تر، کوچک‌تر و کارآمدتر می‌باشد. این تحقیق که در مجله Nature Communications منتشر شده و با حمایت شرکت تحقیقاتی نیمه‌هادی و همکاری این‌تل انجام شده، به درک بهتری از نحوه عملکرد رسانایی حرارتی در فلزات مورد استفاده در تراشه‌های نسل بعدی کمک می‌کند و امکانات جدیدی را برای پیشرفت‌های فناوری در مقیاس‌هایی که پیش‌تر غیرقابل تصور بودند، فراهم می‌آورد.

مدیر این 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، پردازش مداوم و با توان بالا معمولاً منجر به گلوگاه‌های حرارتی می‌شود. یافته‌های ما یک نقشه‌راه برای کاهش این مشکلات با بهبود نحوه جریان حرارت از طریق فلزات فوق‌العاده نازک مانند مس ارائه می‌دهد.”

درک علم: حرارت در مقیاس نانو

مس به دلیل خواص رسانایی عالی‌اش، 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 مقابله با این چالش، تیم دانشگاه ویرجینیا بر روی یک عنصر حیاتی از علم حرارت به نام قانون متیسن تمرکز کرد که در فیلم‌های نازک مس تأیید شده است. این قانون که به طور سنتی به پیش‌بینی تأثیر فرآیندهای مختلف پراکندگی بر جریان الکترون‌ها کمک می‌کند، تا کنون به طور کامل در مواد مقیاس نانو تأیید نشده بود.

تیم با استفاده از یک روش نوین به نام ترمو رفلکتانس پایدار (SSTR)، رسانایی حرارتی مس را اندازه‌گیری کرده و آن را با داده‌های مقاومت الکتریکی مقایسه کرد. این مقایسه مستقیم نشان داد که قانون متیسن، 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: تراشه‌های خنک‌تر، سریع‌تر و کوچکتر

چرا این موضوع اهمیت دارد؟

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

پاتریک ای. هاپکینز، مشاور ایزام و استاد مهندسی ویتنی استون، در این باره گفت: “این را به عنوان یک نقشه‌راه تصور کنید. با تأیید این قانون، طراحان تراشه اکنون یک راهنمای معتبر برای پیش‌بینی و کنترل رفتار حرارت در فیلم‌های کوچک مسی دارند. این یک تغییر بزرگ در تولید تراشه‌هایی است که نیازهای انرژی و عملکرد فناوری‌های آینده را برآورده می‌کنند.”

همکاری برای آینده الکترونیک

موفقیت این مطالعه نمایانگر همکاری‌ بین دانشگاه ویرجینیا (UVA)، اینتل و شرکت تحقیقاتی نیمه‌هادی است که قدرت همکاری‌های دانشگاهی و صنعتی را نشان می‌دهد. یافته‌ها وعده کاربردهای قابل توجهی در توسعه فناوری CMOS نسل بعدی را می‌دهند — که پایه و 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 به روی موادی گشوده‌اند که نه تنها دستگاه‌های کارآمدتری را به حرکت درمی‌آورند، بلکه پتانسیل صرفه‌جویی انرژی قابل توجهی در صنعت را نیز 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 به واقعیت نزدیک‌تر می‌کنند.