جدید چپس گرم کیوں چلتی ہیں۔

جیسے ہی نانوسکل ٹرانزسٹرز گیگاہرٹز کی شرح پر سوئچ کرتے ہیں، الیکٹران سرکٹس میں تیزی سے گزرتے ہیں اور حرارت کے طور پر توانائی کھو دیتے ہیں — وہی گرمی جو آپ محسوس کرتے ہیں جب لیپ ٹاپ یا فون غیر آرام دہ حد تک گرم ہو جاتا ہے۔ ایک چپ پر زیادہ ٹرانجسٹر پیک کرنے سے اس گرمی کو دور کرنے کے لیے کم جگہ رہ جاتی ہے۔ سلیکون کے ذریعے یکساں طور پر پھیلنے کے بجائے، گرمی ہاٹ سپاٹ میں جمع ہوتی ہے جو آس پاس کے علاقوں سے دسیوں ڈگری زیادہ گرم ہو سکتی ہے۔ نقصان اور کارکردگی کے نقصان سے بچنے کے لیے، جب درجہ حرارت بڑھتا ہے تو سسٹم CPUs اور GPUs کو تھروٹل کرتے ہیں۔

تھرمل چیلنج کا دائرہ کار

جو چیز چھوٹے بنانے کی دوڑ کے طور پر شروع ہوئی تھی وہ تمام الیکٹرانکس میں گرمی کے ساتھ جنگ ​​بن گئی ہے۔ کمپیوٹنگ میں، کارکردگی طاقت کی کثافت کو زیادہ دھکیلتی رہتی ہے (انفرادی سرور دسیوں کلو واٹ کے آرڈر پر کھینچ سکتے ہیں)۔ مواصلات میں، ڈیجیٹل اور اینالاگ دونوں سرکٹس مضبوط سگنلز اور تیز ڈیٹا کے لیے زیادہ ٹرانجسٹر پاور کا مطالبہ کرتے ہیں۔ پاور الیکٹرانکس میں، تھرمل رکاوٹوں کی وجہ سے بہتر کارکردگی تیزی سے محدود ہوتی جارہی ہے۔

ایک مختلف حکمت عملی: چپ کے اندر گرمی پھیلائیں۔

گرمی کو مرتکز ہونے دینے کے بجائے، ایک امید افزا خیال ہے۔پتلایہ چپ کے اندر ہی ہے — جیسے ایک کپ ابلتے ہوئے پانی کو سوئمنگ پول میں ڈالنا۔ اگر گرمی وہیں پھیل جاتی ہے جہاں یہ پیدا ہوتی ہے، تو گرم ترین آلات ٹھنڈے رہتے ہیں اور روایتی کولر (ہیٹ سنک، پنکھے، مائع لوپ) زیادہ مؤثر طریقے سے کام کرتے ہیں۔ اس کے لیے ایک کی ضرورت ہے۔اعلی تھرمل چالکتا، برقی طور پر موصل موادان کی نازک خصوصیات کو پریشان کیے بغیر فعال ٹرانجسٹروں سے صرف نینو میٹر کے فاصلے پر مربوط۔ ایک غیر متوقع امیدوار اس بل پر فٹ بیٹھتا ہے:ہیرا.

ہیرا کیوں؟

ڈائمنڈ ان بہترین تھرمل کنڈکٹرز میں سے ایک ہے جسے جانا جاتا ہے — تانبے سے کئی گنا زیادہ — جب کہ ایک برقی انسولیٹر بھی ہے۔ کیچ انضمام ہے: ترقی کے روایتی طریقوں کے لیے 900–1000 °C کے ارد گرد یا اس سے زیادہ درجہ حرارت کی ضرورت ہوتی ہے، جو جدید سرکٹری کو نقصان پہنچائے گی۔ حالیہ پیش رفت اس پتلی کو ظاہر کرتی ہے۔پولی کرسٹل لائن ہیرافلمیں (صرف چند مائکرو میٹر موٹی) پر اگائی جا سکتی ہیں۔بہت کم درجہ حرارتتیار شدہ آلات کے لئے موزوں۔

آج کے کولر اور ان کی حدود

مین اسٹریم کولنگ بہتر ہیٹ سنک، پنکھے اور انٹرفیس میٹریل پر فوکس کرتی ہے۔ محققین مائیکرو فلائیڈک مائع کولنگ، فیز چینج میٹریل، اور یہاں تک کہ سرورز کو تھرمل کنڈکٹیو، برقی طور پر موصل کرنے والے مائعات میں بھی دریافت کرتے ہیں۔ یہ اہم اقدامات ہیں، لیکن یہ بہت زیادہ، مہنگے، یا ابھرتے ہوئے سے ناقص مماثل ہوسکتے ہیں۔3D اسٹیکڈچپ آرکیٹیکچرز، جہاں ایک سے زیادہ سلیکون پرتیں "فلک بوس عمارت" کی طرح برتاؤ کرتی ہیں۔ اس طرح کے ڈھیروں میں، ہر تہہ کو گرمی بہانا ضروری ہے۔ بصورت دیگر ہاٹ سپاٹ اندر پھنس گئے ہیں۔

ڈیوائس کے موافق ہیرے کو کیسے اگایا جائے۔

سنگل کرسٹل ہیرے میں غیر معمولی تھرمل چالکتا ہے (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹، تانبے سے تقریباً چھ گنا)۔ پولی کرسٹل لائن بنانے میں آسان فلمیں ان قدروں تک پہنچ سکتی ہیں جب کافی موٹی ہوں — اور پتلی ہونے کے باوجود بھی تانبے سے برتر ہیں۔ روایتی کیمیائی بخارات کا ذخیرہ اعلی درجہ حرارت پر میتھین اور ہائیڈروجن کا رد عمل ظاہر کرتا ہے، جس سے عمودی ہیرے کے نینو کالم بنتے ہیں جو بعد میں ایک فلم میں ضم ہو جاتے ہیں۔ تب تک تہہ موٹی، زور دار، اور پھٹنے کا شکار ہو جاتی ہے۔
کم درجہ حرارت میں اضافہ ایک مختلف نسخہ کا مطالبہ کرتا ہے۔ صرف گرمی کو کم کرنے سے ہیرے کی موصلیت کے بجائے ترسیلی کاجل پیدا ہوتی ہے۔ متعارف کروا رہا ہے۔آکسیجنغیر ہیرے کے کاربن کو مسلسل کھینچتا ہے، چالو کرتا ہے۔بڑے اناج کا پولی کرسٹل لائن ہیرا ~400 °C پراعلی درجے کے مربوط سرکٹس کے ساتھ ہم آہنگ درجہ حرارت۔ بالکل اسی طرح اہم بات یہ ہے کہ یہ عمل نہ صرف افقی سطحوں پر بلکہ کوٹ بھی کر سکتا ہے۔sidewalls، جو فطری طور پر 3D آلات کے لیے اہمیت رکھتا ہے۔

تھرمل باؤنڈری ریزسٹنس (TBR): فونن کی رکاوٹ

ٹھوس میں حرارت کی جاتی ہے۔فونز(کوانٹائزڈ جالی کمپن)۔ مادی انٹرفیس پر، فونون عکاسی کر سکتے ہیں اور ڈھیر کر سکتے ہیں، تخلیق کر سکتے ہیں۔تھرمل باؤنڈری ریزسٹنس (TBR)جو گرمی کے بہاؤ کو روکتا ہے۔ انٹرفیس انجینئرنگ ٹی بی آر کو کم کرنے کی کوشش کرتی ہے، لیکن سیمی کنڈکٹر مطابقت کی وجہ سے انتخاب محدود ہیں۔ بعض انٹرفیس پر، آپس میں ملاوٹ پتلی بن سکتی ہے۔سلکان کاربائیڈ (SiC)پرت جو دونوں طرف فونون سپیکٹرا سے بہتر طور پر میل کھاتی ہے، ایک "پل" کے طور پر کام کرتی ہے اور TBR کو کم کرتی ہے- اس طرح آلات سے ہیرے میں حرارت کی منتقلی کو بہتر بناتی ہے۔

ٹیسٹ بیڈ: GaN HEMTs (ریڈیو فریکوئنسی ٹرانجسٹر)

ہائی الیکٹران-موبلٹی ٹرانزسٹرز (HEMTs) 2D الیکٹران گیس میں گیلیم نائٹرائڈ کنٹرول کرنٹ پر مبنی ہیں اور اعلی تعدد، ہائی پاور آپریشن (بشمول X-band ≈8–12 GHz اور W-band ≈75–110 GHz) کے لیے قیمتی ہیں۔ چونکہ حرارت سطح کے بہت قریب پیدا ہوتی ہے، اس لیے یہ کسی بھی اندرونی حرارت پھیلانے والی پرت کی بہترین تحقیقات ہیں۔ جب پتلا ہیرا آلہ کو گھیر لیتا ہے — بشمول سائیڈ والز — چینل کے درجہ حرارت میں کمی دیکھی گئی ہے۔~70 °Cہائی پاور پر تھرمل ہیڈ روم میں خاطر خواہ بہتری کے ساتھ۔

CMOS اور 3D اسٹیک میں ڈائمنڈ

اعلی درجے کی کمپیوٹنگ میں،3D اسٹیکنگانضمام کی کثافت اور کارکردگی کو بڑھاتا ہے لیکن اندرونی تھرمل رکاوٹیں پیدا کرتا ہے جہاں روایتی، بیرونی کولر کم سے کم موثر ہوتے ہیں۔ ہیرے کو سلکان کے ساتھ جوڑنا ایک بار پھر فائدہ مند ثابت ہوسکتا ہے۔SiC انٹرلیئر, ایک اعلی معیار کے تھرمل انٹرفیس کی پیداوار.
ایک مجوزہ فن تعمیر ہے aتھرمل پاڑ: نینو میٹر پتلی ہیرے کی چادریں جو ڈائی الیکٹرک کے اندر ٹرانجسٹروں کے اوپر سرایت کرتی ہیں، اس سے جڑی ہوئی ہیں۔عمودی تھرمل ویاس ("حرارتی ستون")تانبے یا اضافی ہیرے سے بنا۔ یہ ستون گرمی کو ایک پرت سے دوسری پرت تک منتقل کرتے ہیں جب تک کہ یہ بیرونی کولر تک نہ پہنچ جائے۔ حقیقت پسندانہ کام کے بوجھ کے ساتھ نقلیں ظاہر کرتی ہیں کہ اس طرح کے ڈھانچے چوٹی کے درجہ حرارت کو کم کر سکتے ہیں۔شدت کے حکم تکتصور کے ثبوت کے ڈھیر میں۔

جو مشکل رہ جاتا ہے۔

کلیدی چیلنجوں میں ہیرے کی اوپری سطح بنانا شامل ہے۔جوہری طور پر فلیٹاوورلینگ انٹرکنیکٹس اور ڈائی الیکٹرکس کے ساتھ ہموار انضمام کے لیے، اور ریفائننگ کے عمل کے لیے تاکہ پتلی فلمیں بنیادی سرکٹری پر دباؤ ڈالے بغیر بہترین تھرمل چالکتا برقرار رکھتی ہیں۔

آؤٹ لک

اگر یہ نقطہ نظر پختہ ہوتے رہیں،ان چپ ہیرے کی گرمی پھیل رہی ہے۔CMOS، RF، اور پاور الیکٹرانکس میں تھرمل حدود میں کافی حد تک نرمی کر سکتا ہے- معمول کے تھرمل جرمانے کے بغیر اعلی کارکردگی، زیادہ وشوسنییتا، اور زیادہ 3D انضمام کی اجازت دیتا ہے۔