ଆଧୁନିକ ଚିପ୍ସ କାହିଁକି ଗରମ ହୁଏ

ନାନୋସ୍କେଲ ଟ୍ରାଞ୍ଜିଷ୍ଟରଗୁଡ଼ିକ ଗିଗାହର୍ଜ ହାରରେ ପରିବର୍ତ୍ତନ ହେବା ସମୟରେ, ଇଲେକ୍ଟ୍ରନଗୁଡ଼ିକ ସର୍କିଟ ମାଧ୍ୟମରେ ଦ୍ରୁତ ଗତିରେ ଗତି କରନ୍ତି ଏବଂ ତାପ ପରି ଶକ୍ତି ହରାଇ ଦିଅନ୍ତି - ଯେତେବେଳେ ଏକ ଲାପଟପ୍ କିମ୍ବା ଫୋନ୍ ଅସ୍ୱସ୍ତିକର ଭାବରେ ଗରମ ହୁଏ ସେତେବେଳେ ଆପଣ ଯେଉଁ ଉତ୍ତାପ ଅନୁଭବ କରନ୍ତି। ଏକ ଚିପ୍ ଉପରେ ଅଧିକ ଟ୍ରାଞ୍ଜିଷ୍ଟର ପ୍ୟାକ୍ କରିବା ଦ୍ୱାରା ସେହି ଉତ୍ତାପ ଦୂର କରିବା ପାଇଁ କମ୍ ସ୍ଥାନ ମିଳେ। ସିଲିକନ୍ ମାଧ୍ୟମରେ ସମାନ ଭାବରେ ବିସ୍ତାର କରିବା ପରିବର୍ତ୍ତେ, ଉତ୍ତାପ ହଟସ୍ପଟ୍ ରେ ଜମା ହୁଏ ଯାହା ଆଖପାଖ ଅଞ୍ଚଳ ଅପେକ୍ଷା ଦଶ ଡିଗ୍ରୀ ଅଧିକ ଗରମ ହୋଇପାରେ। କ୍ଷତି ଏବଂ କାର୍ଯ୍ୟଦକ୍ଷତା କ୍ଷତିକୁ ଏଡାଇବା ପାଇଁ, ତାପମାତ୍ରା ବୃଦ୍ଧି ପାଇଲେ ସିଷ୍ଟମଗୁଡ଼ିକ CPU ଏବଂ GPUଗୁଡ଼ିକୁ ଥ୍ରୋଟଲ୍ କରେ।

ଥର୍ମାଲ୍ ଚ୍ୟାଲେଞ୍ଜର ପରିସର

କ୍ଷୁଦ୍ରକରଣ ପାଇଁ ଏକ ଦୌଡ଼ ଭାବରେ ଯାହା ଆରମ୍ଭ ହୋଇଥିଲା ତାହା ସମସ୍ତ ଇଲେକ୍ଟ୍ରୋନିକ୍ସରେ ତାପ ସହିତ ଏକ ଯୁଦ୍ଧରେ ପରିଣତ ହୋଇଛି। କମ୍ପ୍ୟୁଟିଂରେ, କାର୍ଯ୍ୟଦକ୍ଷତା ଶକ୍ତି ଘନତାକୁ ଅଧିକ ଠେଲିବାରେ ଲାଗିଛି (ବ୍ୟକ୍ତିଗତ ସର୍ଭର ଦଶ କିଲୋୱାଟ୍ କ୍ରମରେ ଟାଣିପାରିବେ)। ଯୋଗାଯୋଗରେ, ଡିଜିଟାଲ୍ ଏବଂ ଆନାଲଗ୍ ସର୍କିଟ୍ ଉଭୟ ଶକ୍ତିଶାଳୀ ସିଗନାଲ ଏବଂ ଦ୍ରୁତ ଡାଟା ପାଇଁ ଅଧିକ ଟ୍ରାଞ୍ଜିଷ୍ଟର ଶକ୍ତି ଦାବି କରେ। ପାୱାର ଇଲେକ୍ଟ୍ରୋନିକ୍ସରେ, ଉତ୍ତମ ଦକ୍ଷତା ତାପଜ ସୀମା ଦ୍ୱାରା କ୍ରମାଗତ ଭାବରେ ସୀମିତ ହେଉଛି।

ଏକ ଭିନ୍ନ ରଣନୀତି: ଚିପ୍ ଭିତରେ ତାପ ବିସ୍ତାର କରିବା

ତାପକୁ କେନ୍ଦ୍ରିତ କରିବାକୁ ଦେବା ଅପେକ୍ଷା, ଏକ ପ୍ରତିଶ୍ରୁତିବଦ୍ଧ ଧାରଣା ହେଉଛିପରିମଳ କରିବାଏହା ଚିପ୍ ଭିତରେ ଅଛି - ଯେପରି ଏକ ସୁଇମିଂ ପୁଲରେ ଫୁଟୁଥିବା ପାଣିର କପ୍ ଢାଳିବା। ଯଦି ତାପ ଯେଉଁଠାରେ ଉତ୍ପନ୍ନ ହୁଏ ସେଠାରେ ବିସ୍ତାର କରାଯାଏ, ତେବେ ସବୁଠାରୁ ଗରମ ଉପକରଣଗୁଡ଼ିକ ଥଣ୍ଡା ରହିଥାଏ ଏବଂ ପାରମ୍ପରିକ କୁଲରଗୁଡ଼ିକ (ହିଟ୍ ସିଙ୍କ୍, ଫ୍ୟାନ୍, ତରଳ ଲୁପ୍) ଅଧିକ ପ୍ରଭାବଶାଳୀ ଭାବରେ କାମ କରନ୍ତି। ଏଥିପାଇଁ ଏକଉଚ୍ଚ-ତାପ-ପରିବାହୀତା, ବୈଦ୍ୟୁତିକ ଭାବରେ ଅନ୍ତର୍ହିତ ସାମଗ୍ରୀସକ୍ରିୟ ଟ୍ରାଞ୍ଜିଷ୍ଟରଗୁଡ଼ିକର ନାଜୁକ ଗୁଣଗୁଡ଼ିକୁ ବାଧା ନ ଦେଇ କେବଳ ନାନୋମିଟରକୁ ଏକୀକୃତ କରାଯାଇଛି। ଏକ ଅପ୍ରତ୍ୟାଶିତ ପ୍ରାର୍ଥୀ ଏହି ବିଲରେ ଫିଟ୍ ହୁଏ:ହୀରା.

ହୀରା କାହିଁକି?

ହୀରା ହେଉଛି ସର୍ବୋତ୍ତମ ତାପଜ ପରିବାହୀ ମଧ୍ୟରୁ ଗୋଟିଏ ଯାହା ଜଣାଶୁଣା - ତମ୍ବା ଅପେକ୍ଷା ଅନେକ ଗୁଣ ଅଧିକ - ଏବଂ ଏହା ଏକ ବୈଦ୍ୟୁତିକ ଇନସୁଲେଟର ମଧ୍ୟ। ଏହାର କାରଣ ହେଉଛି ସମନ୍ୱୟ: ପାରମ୍ପରିକ ବୃଦ୍ଧି ପଦ୍ଧତି ପାଇଁ 900-1000 °C କିମ୍ବା ତା'ଠାରୁ ଅଧିକ ତାପମାତ୍ରା ଆବଶ୍ୟକ ହୁଏ, ଯାହା ଉନ୍ନତ ସର୍କିଟ୍ରିକୁ କ୍ଷତି ପହଞ୍ଚାଇବ। ସାମ୍ପ୍ରତିକ ଉନ୍ନତି ଦର୍ଶାଉଛି ଯେ ପତଳାପଲିକ୍ରିଷ୍ଟାଲାଇନ୍ ହୀରାଫିଲ୍ମ (କେବଳ କିଛି ମାଇକ୍ରୋମିଟର ଘନତା) ଚାଷ କରାଯାଇପାରିବବହୁତ କମ୍ ତାପମାତ୍ରାସମାପ୍ତ ଉପକରଣ ପାଇଁ ଉପଯୁକ୍ତ।

ଆଜିର କୁଲର ଏବଂ ସେମାନଙ୍କର ସୀମା

ମୁଖ୍ୟଧାରାର ଶୀତଳୀକରଣ ଉନ୍ନତ ହିଟ୍ ସିଙ୍କ୍, ଫ୍ୟାନ୍ ଏବଂ ଇଣ୍ଟରଫେସ୍ ସାମଗ୍ରୀ ଉପରେ ଧ୍ୟାନ ଦିଏ। ଗବେଷକମାନେ ମାଇକ୍ରୋଫ୍ଲୁଇଡିକ୍ ତରଳ ଶୀତଳୀକରଣ, ପର୍ଯ୍ୟାୟ-ପରିବର୍ତ୍ତନ ସାମଗ୍ରୀ ଏବଂ ତାପଜ ପରିବାହୀ, ବୈଦ୍ୟୁତିକ ଭାବରେ ଅନ୍ତଃସଂଯୋଗକାରୀ ତରଳ ପଦାର୍ଥରେ ସର୍ଭରଗୁଡ଼ିକୁ ବୁଡ଼ାଇ ମଧ୍ୟ ଅନୁସନ୍ଧାନ କରନ୍ତି। ଏଗୁଡ଼ିକ ଗୁରୁତ୍ୱପୂର୍ଣ୍ଣ ପଦକ୍ଷେପ, କିନ୍ତୁ ଏଗୁଡ଼ିକ ବଡ଼, ମହଙ୍ଗା, କିମ୍ବା ଉଦୀୟମାନ ସହିତ ଖରାପ ମେଳ ଖାଇପାରେ।3D-ଷ୍ଟାକଡ୍ଚିପ୍ ଆର୍କିଟେକ୍ଚର, ଯେଉଁଠାରେ ଏକାଧିକ ସିଲିକନ୍ ସ୍ତର ଏକ "ଗଗନସ୍କୁରୀ" ପରି କାର୍ଯ୍ୟ କରେ। ଏପରି ଥାକରେ, ପ୍ରତ୍ୟେକ ସ୍ତରକୁ ତାପ ଛାଡିବାକୁ ପଡିବ; ନଚେତ୍ ହଟସ୍ପଟ୍ ଭିତରେ ଫସି ରହିଥାଏ।

ଡିଭାଇସ୍-ଅନୁକୂଳ ହୀରା କିପରି ଚାଷ କରିବେ

ଏକକ-ସ୍ଫଟିକ ହୀରା ଅସାଧାରଣ ତାପଜ ପରିବାହିତା (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, ତମ୍ବା ଅପେକ୍ଷା ପ୍ରାୟ ଛଅ ଗୁଣ) ରଖେ। ସହଜରେ ତିଆରି ପଲିକ୍ରିଷ୍ଟାଲାଇନ୍ ଫିଲ୍ମଗୁଡ଼ିକ ଯଥେଷ୍ଟ ଘନ ହେଲେ ଏହି ମୂଲ୍ୟଗୁଡ଼ିକ ପାଖକୁ ଯାଇପାରେ - ଏବଂ ପତଳା ହେଲେ ମଧ୍ୟ ତମ୍ବା ଅପେକ୍ଷା ଉତ୍କୃଷ୍ଟ। ପାରମ୍ପରିକ ରାସାୟନିକ ବାଷ୍ପ ନିଷ୍କାସନ ଉଚ୍ଚ ତାପମାତ୍ରାରେ ମିଥେନ୍ ଏବଂ ହାଇଡ୍ରୋଜେନ୍ ପ୍ରତିକ୍ରିୟା କରେ, ଭୂଲମ୍ବ ହୀରା ନାନୋସ୍ତମ୍ବ ଗଠନ କରେ ଯାହା ପରେ ଏକ ଫିଲ୍ମରେ ମିଶିଯାଏ; ସେତେବେଳକୁ ସ୍ତରଟି ଘନ, ଚାପଗ୍ରସ୍ତ ଏବଂ ଫାଟିବାର ସମ୍ଭାବନା ଥାଏ।
ନିମ୍ନ-ତାପମାନ ବୃଦ୍ଧି ପାଇଁ ଏକ ଭିନ୍ନ ପଦ୍ଧତି ଆବଶ୍ୟକ। କେବଳ ତାପକୁ କମ କରିବା ଦ୍ଵାରା ହୀରାକୁ ଇନସୁଲେଟ କରିବା ପରିବର୍ତ୍ତେ ପରିବାହୀ କାଳି ଉତ୍ପାଦନ ହୁଏ। ପରିଚିତ କରାଉଛିଅମ୍ଳଜାନନିରନ୍ତର ଅଣ-ହୀରା କାର୍ବନକୁ ଖୋଳିଥାଏ, ସକ୍ଷମ କରିଥାଏ~୪୦୦ ଡିଗ୍ରୀ ସେଲସିୟସ୍ ତାପମାତ୍ରାରେ ବଡ଼ ଶସ୍ୟ ବିଶିଷ୍ଟ ପଲିକ୍ରିଷ୍ଟାଲାଇନ୍ ହୀରା, ଉନ୍ନତ ସମନ୍ୱିତ ସର୍କିଟ୍ ସହିତ ସୁସଙ୍ଗତ ଏକ ତାପମାତ୍ରା। ଠିକ୍ ସେହିପରି ଗୁରୁତ୍ୱପୂର୍ଣ୍ଣ କଥା ହେଉଛି, ଏହି ପ୍ରକ୍ରିୟା କେବଳ ଭୂସମାନ୍ତର ପୃଷ୍ଠକୁ ନୁହେଁ ବରଂପାର୍ଶ୍ଵ କାନ୍ଥ, ଯାହା ସ୍ୱାଭାବିକ ଭାବରେ 3D ଡିଭାଇସ୍ ପାଇଁ ଗୁରୁତ୍ୱପୂର୍ଣ୍ଣ।

ତାପଜ ସୀମା ପ୍ରତିରୋଧ (TBR): ଫୋନନ୍ ବାଟଲନେକ୍

କଠିନ ପଦାର୍ଥରେ ତାପ ବହନ କରାଯାଏଫୋନନଗୁଡ଼ିକ(ପରିମାଣୀୟ ଜାଲି କମ୍ପନ)। ଭୌତିକ ଇଣ୍ଟରଫେସରେ, ଫୋନନଗୁଡ଼ିକ ପ୍ରତିଫଳିତ ହୋଇ ଗଦା ହୋଇପାରନ୍ତି, ସୃଷ୍ଟି କରନ୍ତିତାପଜ ସୀମା ପ୍ରତିରୋଧ (TBR)ଯାହା ଉତ୍ତାପ ପ୍ରବାହକୁ ବାଧା ଦିଏ। ଇଣ୍ଟରଫେସ୍ ଇଞ୍ଜିନିୟରିଂ TBR କୁ କମ କରିବାକୁ ଚେଷ୍ଟା କରେ, କିନ୍ତୁ ବିକଳ୍ପଗୁଡ଼ିକ ଅର୍ଦ୍ଧଚାଳକ ସୁସଙ୍ଗତତା ଦ୍ୱାରା ସୀମିତ। କିଛି ନିର୍ଦ୍ଦିଷ୍ଟ ଇଣ୍ଟରଫେସ୍‌ରେ, ଇଣ୍ଟରମିକ୍ସିଂ ଏକ ପତଳା ଗଠନ କରିପାରେସିଲିକନ୍ କାର୍ବାଇଡ୍ (SiC)ଏକ ସ୍ତର ଯାହା ଉଭୟ ପାର୍ଶ୍ୱରେ ଫୋନନ୍ ସ୍ପେକ୍ଟ୍ରା ସହିତ ଭଲ ଭାବରେ ମେଳ ଖାଏ, ଏକ "ସେତୁ" ଭାବରେ କାର୍ଯ୍ୟ କରେ ଏବଂ TBR ହ୍ରାସ କରେ - ଏହିପରି ଡିଭାଇସଗୁଡ଼ିକରୁ ହୀରାକୁ ତାପ ସ୍ଥାନାନ୍ତରକୁ ଉନ୍ନତ କରେ।

ଏକ ପରୀକ୍ଷାସ୍ଥଳ: GaN HEMTs (ରେଡିଓ-ଫ୍ରିକ୍ୱେନ୍ସି ଟ୍ରାଞ୍ଜିଷ୍ଟର)

2D ଇଲେକ୍ଟ୍ରନ୍ ଗ୍ୟାସରେ ଗାଲିୟମ୍ ନାଇଟ୍ରାଇଡ୍ ନିୟନ୍ତ୍ରଣ କରେଣ୍ଟ ଉପରେ ଆଧାରିତ ଉଚ୍ଚ-ଇଲେକ୍ଟ୍ରନ୍-ମୋବିଲିଟି ଟ୍ରାଞ୍ଜିଷ୍ଟର (HEMTs) ଏବଂ ଉଚ୍ଚ-ଆବୃତ୍ତି, ଉଚ୍ଚ-ଶକ୍ତି କାର୍ଯ୍ୟ ପାଇଁ ମୂଲ୍ୟବାନ (X-ବ୍ୟାଣ୍ଡ ≈8–12 GHz ଏବଂ W-ବ୍ୟାଣ୍ଡ ≈75–110 GHz ସମେତ)। କାରଣ ତାପ ପୃଷ୍ଠ ନିକଟରେ ଉତ୍ପନ୍ନ ହୁଏ, ସେଗୁଡ଼ିକ ଯେକୌଣସି ଇନ-ସିଟୁ ହିଟ୍-ସ୍ପ୍ରେଡିଂ ସ୍ତରର ଏକ ଉତ୍କୃଷ୍ଟ ପ୍ରୋବ୍। ଯେତେବେଳେ ପତଳା ହୀରା ଡିଭାଇସକୁ ଆବଦ୍ଧ କରେ - ପାର୍ଶ୍ଵ କାନ୍ଥ ସମେତ - ଚ୍ୟାନେଲର ତାପମାତ୍ରା ହ୍ରାସ ପାଇଥାଏ।~70 °ସେ., ଉଚ୍ଚ ଶକ୍ତିରେ ଥର୍ମାଲ୍ ହେଡରୁମରେ ଯଥେଷ୍ଟ ଉନ୍ନତି ସହିତ।

CMOS ଏବଂ 3D ଷ୍ଟାକରେ ହୀରା

ଉନ୍ନତ କମ୍ପ୍ୟୁଟିଂରେ,3D ଷ୍ଟାକିଂସମନ୍ୱୟ ଘନତା ଏବଂ କାର୍ଯ୍ୟଦକ୍ଷତା ବୃଦ୍ଧି କରେ କିନ୍ତୁ ଆଭ୍ୟନ୍ତରୀଣ ତାପଜ ବାଧା ସୃଷ୍ଟି କରେ ଯେଉଁଠାରେ ପାରମ୍ପରିକ, ବାହ୍ୟ କୁଲରଗୁଡ଼ିକ ସବୁଠାରୁ କମ୍ ପ୍ରଭାବଶାଳୀ। ସିଲିକନ୍ ସହିତ ହୀରାକୁ ଏକତ୍ର କରିବା ଦ୍ୱାରା ପୁଣି ଏକ ଲାଭଦାୟକ ଉତ୍ପାଦନ ହୋଇପାରିବSiC ଇଣ୍ଟରଲେୟର୍, ଏକ ଉଚ୍ଚ-ଗୁଣବତ୍ତା ଥର୍ମାଲ୍ ଇଣ୍ଟରଫେସ୍ ପ୍ରଦାନ କରେ।
ଗୋଟିଏ ପ୍ରସ୍ତାବିତ ସ୍ଥାପତ୍ୟ ହେଉଛି ଏକତାପଜ ଫାଶ: ଡାଇଇଲେକ୍ଟ୍ରିକ୍ ମଧ୍ୟରେ ଟ୍ରାଞ୍ଜିଷ୍ଟର ଉପରେ ଏମବେଡ୍ ହୋଇଥିବା ନାନୋମିଟର-ପତଳା ହୀରା ଚାଦର, ଦ୍ୱାରା ସଂଯୁକ୍ତଭୂଲମ୍ବ ତାପଜ ଭାୟା ("ତାପ ସ୍ତମ୍ଭ")ତମ୍ବା କିମ୍ବା ଅତିରିକ୍ତ ହୀରାରେ ତିଆରି। ଏହି ସ୍ତମ୍ଭଗୁଡ଼ିକ ଏକ ସ୍ତରରୁ ଅନ୍ୟ ସ୍ତରକୁ ତାପ ପ୍ରବାହିତ କରନ୍ତି ଯେପର୍ଯ୍ୟନ୍ତ ଏହା ଏକ ବାହ୍ୟ କୁଲରରେ ପହଞ୍ଚି ନଥାଏ। ବାସ୍ତବବାଦୀ କାର୍ଯ୍ୟଭାର ସହିତ ସିମୁଲେସନଗୁଡ଼ିକ ଦର୍ଶାଏ ଯେ ଏପରି ଗଠନଗୁଡ଼ିକ ସର୍ବାଧିକ ତାପମାତ୍ରାକୁ ହ୍ରାସ କରିପାରିବପରିମାଣର କ୍ରମ ପର୍ଯ୍ୟନ୍ତଧାରଣାର ପ୍ରମାଣ ଷ୍ଟାକରେ।

କଣ କଷ୍ଟକର ରହିଛି

ମୁଖ୍ୟ ଚ୍ୟାଲେଞ୍ଜ ମଧ୍ୟରେ ହୀରାର ଉପର ପୃଷ୍ଠ ତିଆରି କରିବା ଅନ୍ତର୍ଭୁକ୍ତ।ପରମାଣୁ ଭାବରେ ସମତଳଓଭରଲାଇଂ ଇଣ୍ଟରକନେକ୍ଟ ଏବଂ ଡାଇଇଲେକ୍ଟ୍ରିକ୍ସ ସହିତ ନିର୍ବିଘ୍ନ ସମନ୍ୱୟ ପାଇଁ, ଏବଂ ବିଶୋଧନ ପ୍ରକ୍ରିୟା ଯାହା ଦ୍ଵାରା ପତଳା ଫିଲ୍ମଗୁଡ଼ିକ ଅନ୍ତର୍ନିହିତ ସର୍କିଟ୍ରିକୁ ଚାପ ନ ଦେଇ ଉତ୍କୃଷ୍ଟ ତାପଜ ପରିବାହିତା ବଜାୟ ରଖିପାରିବ।

ଆଉଟଲୁକ

ଯଦି ଏହି ପଦ୍ଧତିଗୁଡ଼ିକ ପରିପକ୍ୱ ହେବାକୁ ଲାଗିଥାଏ,ଚିପ୍‌ରେ ଥିବା ହୀରା ତାପ ବିସ୍ତାରCMOS, RF, ଏବଂ ପାୱାର ଇଲେକ୍ଟ୍ରୋନିକ୍ସରେ ତାପଜ ସୀମାକୁ ଯଥେଷ୍ଟ ଆରାମ ଦେଇପାରିବ - ସାଧାରଣ ତାପଜ ଦଣ୍ଡ ବିନା ଉଚ୍ଚ କାର୍ଯ୍ୟଦକ୍ଷତା, ଅଧିକ ନିର୍ଭରଯୋଗ୍ୟତା ଏବଂ ଘନ 3D ସମନ୍ୱୟକୁ ଅନୁମତି ଦେଇଥାଏ।