Table of Contents
طبقات الماس والعمل على تعزيز نقل الحرارة
اكتشف العلماء أن إضافة طبقات الماس إلى شرائح الكمبيوتر تعمل على تعزيز نقل الحرارة بشكل كبير، مما يمهد الطريق لإنتاج أجهزة كمبيوتر أسرع وأكثر قوة .
وكشف بحثهم أن هذا المزيج يحسن نقل الحرارة بمقدار عشرة أضعاف، وهو إنجاز يمكن أن يؤدي إلى تصميمات أكثر كفاءة مثل الدوائر ثلاثية الأبعاد، حيث يتم تكديس المكونات الإلكترونية عموديا، والتكامل غير المتجانس، والذي يجمع بين أنواع مختلفة من المكونات في شريحة واحدة.
وقال محمد علي مالاكوتيان، باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة ستانفورد وأحد المؤلفين الرئيسيين للدراسة، في رسالة بالبريد الإلكتروني: “تقدم هذه التقنيات مزايا كبيرة مقارنة بالأساليب التقليدية”. “توفر الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد، التي تجمع شرائح متعددة في جهاز واحد، والتكامل غير المتجانس، الذي يدمج مكونات مختلفة تعتمد على مواد في مجموعة ذات مستوى أعلى، استهلاكًا أقل للطاقة، وانتقالات أسرع للإشارة، وأداءً متزايدًا.
“تساهم هذه التقنيات في تشكيل مستقبل أجهزة أشباه الموصلات، وتوفر حلولاً للتغلب على الحدود المادية والتكنولوجية والاقتصادية للدوائر المتكاملة المستوية.”
التوسع في البعد الثالث
لقد حققت تصميمات شرائح الكمبيوتر المسطحة التقليدية نجاحًا مذهلاً، مما أدى إلى نمو هائل في أداء الحوسبة على مدى العقود الماضية. ومع ذلك، تقترب هذه التكنولوجيا من حدودها المادية.
تعتبر الترانزستورات ، وهي مكونات كهربائية تعمل كمفتاح أو مكبر في الدائرة الإلكترونية، أساسية لهذه العملية. ومع وصولها إلى المقاييس الذرية، تصبح عملية التصغير أكثر صعوبة، مما يجبر العلماء على إعادة التفكير في كيفية تصميم وتصنيع الرقائق.
وتقول سربانتي شودري، أستاذة الفيزياء بجامعة ستانفورد ومؤلفة أخرى للدراسة، إن أحد البدائل هو بدلاً من تطوير رقائق أصغر حجماً، يمكن دمجها في هياكل ثلاثية الأبعاد، والتي يمكنها تكديس رقائق أكثر بعشرات المرات في نفس لوحة الكمبيوتر مقارنة بتصميم ثنائي الأبعاد. ومع ذلك، فإن هذا النهج له عيوب كبيرة بسبب الحرارة الزائدة التي تتراكم في الهيكل المزدحم.
“تشهد الرقائق الكثيفة انخفاضًا كبيرًا في الكفاءة بسبب التسخين الذاتي لمكوناتها، وخاصة الترانزستورات”، كما قال مالاكوتيان. “تعاني [أجهزة الكمبيوتر] من الفشل المبكر الناجم عن النقاط الساخنة المحلية، مما يؤثر سلبًا على الأداء وطول العمر. تتفاقم هذه المشكلة في الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد […] بسبب تصميمها المكدس. يؤدي تبديد الطاقة المتزايد وكثافات الأجهزة العالية في التصميمات ثلاثية الأبعاد إلى ارتفاع درجات الحرارة، مما يؤثر على الأداء والموثوقية.”
وقد دفعت هذه المشاكل، التي لا وجود لها في تصميمات المعالجات ثنائية الأبعاد العادية، الباحثين إلى البحث عن طرق جديدة جذرية لتبريد شرائح الحوسبة.
الماس يعالج انتقال الحرارة
ولمكافحة هذه المشكلة المرتبطة بارتفاع درجة حرارة شرائح الكمبيوتر ثلاثية الأبعاد، طور الباحثون تصاميم معالجات تتخلل فيها طبقات الحوسبة في الشريحة طبقات من الماس، متصلة بواسطة “فتحات” ماسية إضافية تمر عبر جميع طبقات الشريحة وتنتهي بمبدد حراري يبدد الحرارة.
تنتقل الحرارة داخل الشريحة عن طريق اهتزازات المواد المكونة لها ، والتي يمكن اعتبارها على المستوى المجهري بمثابة جزيئات تعرف باسم الفونونات – تمامًا مثل الضوء على المستوى دون الذري، وهو عبارة عن مجموعة من الجزيئات تسمى الفوتونات.
ولكن خصائص الفونونات في السيليكون ــ أشباه الموصلات التي تصنع منها الرقائق عادة ــ تختلف تمام الاختلاف عن خصائص الماس. ونتيجة لهذا فإن الحدود بينهما تشكل حاجزاً صلباً يمنع مرور الفونونات من خلاله، فتشتتها أو حتى تعكسها مرة أخرى إلى الرقاقة.
“في حين أن الماس يتمتع بموصلية حرارية عالية، فإن هناك معلمة حاسمة أخرى وهي المقاومة الحرارية للحدود بين الماس ومادة الجهاز [الحوسبة]”، كما قال المؤلفون في ورقتهم البحثية. “هناك العديد من الواجهات بين السيليكون والماس. إذا كانت هناك مقاومة حرارية عالية للحدود عند هذه الواجهات، فإنها تصبح عنق زجاجة لنقل الحرارة بعيدًا عن المنطقة النشطة للجهاز. وبالتالي، فإن هندسة مقاومة حرارية منخفضة للحدود بين موزع الحرارة والجهاز أمر ضروري لتبريد [الشريحة] بشكل فعال.”
“طبقة وسيطة” ضرورية للغاية
ويقول تشودري إن الفريق اكتشف في وقت سابق عن طريق الصدفة أن إضافة طبقة تعتمد على السيليكون بين الماس والشريحة تقلل بشكل كبير من مقاومة الحدود الحرارية.
“لقد أجرينا دراسة منهجية للطبقة البينية واستخدمنا محاكاة ديناميكية جزيئية أجراها زملاؤنا في جامعة تكساس في دالاس لفهم الفيزياء الأساسية”، كما أوضح تشودري. “لقد اكتشفنا أن هندسة طبقات كربيد السيليكون ذات سمك نانومتر يمكن أن تحسن بشكل ملحوظ من نقل الحرارة لأن هذه الطبقات تعمل كجسور، مما يسهل نقل الفونون من [رقاقة] السيليكون إلى موزع الحرارة الماسي”.
وأظهر الفريق أن هناك سمكًا مثاليًا بين الطبقات يتراوح بين 2 و7 نانومتر، حيث تكون مقاومة نقل الحرارة ضئيلة. وعند هذا السمك، يتم تسهيل نقل الحرارة بشكل كبير من خلال نفق الفونون بين الطبقات – وهي ظاهرة كمية حيث يتغلب الجسيم على حاجز صعب أو لا يمكن التغلب عليه بشكل كلاسيكي.
وقد أكد هذا التحليل الشامل ملاحظات الفريق السابقة حول خصائص طبقات السيليكون، وسمح بتفسيرها من حيث ديناميكيات الفونون المجهرية – وهي خطوة مهمة نحو إنشاء معالج ثلاثي الأبعاد فعال.
ما الذي يتطلبه بناء شرائح كمبيوتر ثلاثية الأبعاد تعمل؟
إن نتائج هذه الدراسة مهمة لفهم الخصائص الفيزيائية للفونونات بشكل أفضل. ويأمل الفريق أن تساهم نتائجهم في التطوير الحقيقي في السنوات القادمة.
واختتم تشودري قائلاً: “إن استخدام طبقات رقيقة من كربيد السيليكون كجسور حرارية يفتح إمكانيات جديدة لتعزيز الإدارة الحرارية في الأنظمة الإلكترونية المدمجة والمكتظة”.
“نتوقع أن يتم دمج هذه الابتكارات في عمليات تصنيع أشباه الموصلات التجارية خلال السنوات الثلاث إلى الخمس المقبلة. ويأخذ هذا الجدول الزمني في الاعتبار المراحل اللازمة لمزيد من البحث والتطوير والاختبار، فضلاً عن التعاون مع شركاء الصناعة لتوسيع نطاق الإنتاج وتنفيذ حلول إدارة الحرارة هذه في التطبيقات العملية.
“وعلاوة على ذلك، نخطط لتوسيع حلول إدارة الحرارة لدينا لتستفيد منها التقنيات الناشئة مثل أجهزة 5G و6G ، بهدف تعزيز أدائها وموثوقيتها وكفاءتها في استخدام الطاقة.”