Sirujen kuumeneminen on yksi tekoäly- ja superlaskennan suurimmista esteistä. Kun transistorit pienenevät ja toimivat yhä suuremmilla taajuuksilla, lämpö tiivistyy mikroskooppisiin “hot spot” -alueisiin, jotka voivat olla jopa kymmeniä asteita muuta sirua kuumempia. Tämä pakottaa prosessorit hidastamaan toimintaansa, jotta ne eivät vaurioidu.
Stanfordin yliopiston tutkijat ovat nyt kehittäneet ratkaisun, joka voi kääntää tilanteen. He ovat onnistuneet kasvattamaan monikiteisen timanttipinnoitteen suoraan puolijohdesirujen pintaan vain 400 °C lämpötilassa – tarpeeksi alhaalla, jotta herkät mikropiirirakenteet säilyvät ehjinä.
Hanketta johtaa professori Srabanti Chowdhury. – Tekniikkamme mahdollistaa lämmön leviämisen pois kriittisiltä alueilta ennen kuin se pääsee kasaantumaan, hän kuvaa ratkaisua marraskuun IEEE Spectrum -lehdessä.
Timantti on yksi maailman parhaiten lämpöä johtavista aineista – jopa kuusinkertaisesti kuparia tehokkaampi – ja samalla sähköä eristävä, mikä tekee siitä ihanteellisen jäähdytysmateriaalin sirujen sisäisiin rakenteisiin. Stanfordin ryhmä kehitti kemiallisen höyrykasvatusmenetelmän (CVD), jossa metaanin ja vedyn reaktio tuottaa ohuita, muutaman mikrometrin paksuisia timanttipinnoitteita.
Ratkaisun teho on vakuuttava: ensimmäisissä kokeissa gallium-nitridi-transistorien lämpötila laski jopa 70 °C, ja niiden suorituskyky kasvoi moninkertaiseksi. Myös suurtehoisissa CMOS- ja 3D-siruissa timantti osoittaa lupausta, sillä se voi johtaa lämpöä sekä sivusuunnassa että kerrosten välillä – mikä on kriittistä, kun tulevaisuuden tekoälypiirit rakentuvat päällekkäisistä sirukerroksista.
Menetelmä perustuu kemialliseen höyrykasvatukseen (CVD), joka mahdollistaa timantin kiteytymisen hiilestä. Prosessi on kehitetty täysin uudelleen, jotta timanttia voidaan kasvattaa merkittävästi aiempaa alemmissa lämpötiloissa.
Teknologia on herättänyt laajaa kiinnostusta siruteollisuudessa. Tutkimusryhmä tekee yhteistyötä mm. TSMC:n, Samsungin, Applied Materialsin ja DARPA:n kanssa. Tavoitteena on tuoda timanttipinnoite käytännön sovelluksiin jo lähivuosina.
- Lämpö on ollut transistorien kehityksen näkymätön vihollinen yli vuosikymmenen ajan. Jos onnistumme viemään timantin tuotantoon, se voi poistaa koko ongelman, Chowdhury sanoo.
