Автор: Кристофер Мимс (Christopher Mims)
(wsj.com) - Микрочипы - горячий товар. В буквальном смысле слова «горячий». По мере того, как инженеры встраивают в микросхемы больше функций и повышают их мощность, им требуется больше энергии и, следовательно, они выделяют больше тепла, чем когда-либо прежде.
Для того, чтобы справиться с этим нагревом, который ограничивает производительность компьютеров и других используемых нами гаджетов, Кремниевая долина исследует перспективы неожиданных материалов. Крупные и малые компании, производящие микросхемы, экспериментируют с кусочками синтетического алмаза, кусочками сверхчистого стекла или даже с малоизвестным материалом, только недавно синтезированным в количествах, достаточных для проверки его свойств.
Тепло является давней проблемой для инженеров. Первая практически примененная лампочка, изобретенная Томасом Эдисоном, имела успех во многом потому, что он предотвратил ее быстрое перегорание. Традиционным двигателям внутреннего сгорания для предотвращения выхода из строя необходимы масло и охлаждающая жидкость, а ядерным реакторам, как известно, требуется охлаждение, чтобы избежать расплавления.
Если у вас есть достаточно старый ноутбук, который может довольно сильно нагреваться, когда лежит у вас на коленях, то вы уже хорошо понимаете основное препятствие на пути к ускорению работы компьютеров.
«Жестким ограничением производительности микросхемы является её максимальная рабочая температура», - говорит Энди Бехтольшайм (Andy Bechtolsheim), сооснователь Sun Microsystems, созданной в 1982 году, и главный разработчик аппаратного обеспечения этой компании. Кремниевые микрочипы не могут работать при температуре выше 221оF (105oС), или они станут работать ненадежно. Разработчики микросхем стремятся как можно быстрее рассеивать тепло или отводить его от источника с целью достижения более высоких скоростей работы без выхода их из строя.
Нагрев
Существующие сейчас высокопроизводительные микрочипы могут потреблять около 100 Вт мощности на квадратный сантиметр, говорит Ган Чен (Gang Chen), директор лаборатории наноинженерии Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology, MIT). Энергия, используемая микросхемами для вычислений, в конечном итоге преобразуется в тепло, «и это тепло должно выходить наружу», добавляет он.
Особенно остро эта проблема стоит в центрах хранения и обработки данных, где создаются новейшие, масштабные и крупнейшие модели искусственного интеллекта. При переходе от одного поколения этих моделей к другому необходимая вычислительная мощность увеличивается в среднем в 10 раз. Для перехода к следующему поколению потребуется оригинальное решение, и могут помочь альтернативные подложки для микросхем, такие как алмаз, говорит Бехтольшайм.
С аналогичными проблемами сталкиваются создатели электронных устройств для преобразования энергии в электромобилях, которые все чаще изготавливаются теми же способами, что и микрочипы, и из родственных компонентов. В этом случае проблема заключается как в уменьшении размера этих электронных устройств, так и в передаче через них еще большей энергии. Это еще один вопрос, в котором может помочь алмаз, поскольку уменьшение размера инвертора в электромобиле, имеющего важнейшее значение, зависит от более эффективного рассеивания выделяемого им тепла.
Один из крупнейших алмазов в мире
Алмаз является лучшим проводником тепла, известным человечеству. (Вот прекрасный простой фокус: алмаз является настолько хорошим проводником тепла, что с его помощью можно разрезать кусок льда, используя только тепло, передаваемое от вашего тела.) Но из него невозможно сделать микрочипы - пока. Поэтому наилучшим вариантом является изготовление обычного микрочипа, удаление большей части неактивного кремния, на котором расположены активные резисторы микросхемы, и соединение того, что осталось, в единый идеальный кристалл алмаза.
В компании Diamond Foundry, лаборатория которой находится в Кремниевой долине, а ее первое производственное предприятие в Уэнатчи, штат Вашингтон, инженеры создали, как утверждает компания, самый большой в мире алмаз, по крайней мере, по диаметру. Diamond Foundry использует технологии, которые она получила в 2022 году, когда приобрела немецкую фирму Augsburg Diamond Technology, также известную как Audiatec. Пластину синтетического алмаза, размером 4 дюйма в поперечнике и толщиной менее 3 мм, выращенную в реакторе, можно соединить с кремниевыми микрочипами, что позволит быстро рассеивать тепло, выделяемое этими микросхемами. На данный момент компания изготовила сотни самых крупных таких пластин. Это означает, что микросхемы могут работать без сбоев как минимум в два раза быстрее своей номинальной частоты (так называемой тактовой частоты), говорит Мартин Рошайзен (Martin Roscheisen), исполнительный директор компании. Используя этот метод на одной из самых мощных микросхем Nvidia, инженерам Diamond Foundry даже удалось утроить ее обычную скорость в лабораторных условиях.
Рошайзен говорит, что его компания ведет переговоры с большинством крупнейших мировых производителей микросхем, а также с рядом оборонных подрядчиков и производителей электромобилей, с той целью, чтобы микрочипы и электроника, которые они производят, работали быстрее и чтобы «втиснуть» их в меньшие объемы, или добиться того и другого.
Ключевым фактором, который поможет сделать все это, является снижение стоимости синтеза этих алмазов. По словам Рошайзена, эти пластины по стоимости аналогичны пластинам из карбида кремния, который часто используется в силовой электронике.
Хотя компания Diamond Foundry утверждает, что первой создала большие пластины монокристаллических алмазов, существует другой тип алмазов, который легче синтезировать, - это поликристаллические алмазы. Компания Coherent из Саксонбурга, штат Пенсильвания, основанная в 1971 году для создания материалов для лазеров, предлагает поликристаллические пластины такого типа. Другие компании, такие как Element Six, занимающаяся производством синтетических алмазов и входящая в состав De Beers Group, предлагают еще более крупные алмазы, которые можно разместить между микросхемами и традиционными радиаторами охлаждения.
Сверхчистое стекло
Компания Intel работает над размещением микрочипов на стеклянной подложке, что может иметь ряд преимуществ, в том числе возможность сохранять в целости и сохранности еще более крупные «мегачипы» (megachips), поскольку их размер растет и количество «чиплетов» (chiplets) в одной интегральной схеме увеличивается.
В этой ситуации стекло не помогает рассеивать тепло, но оно помогает микрочипу оставаться неповрежденным по мере того, как он увеличивается в размерах и должен справляться с большей энергией, «прокачиваемой» через него, и с отводимым от него теплом.
«Эти системы искусственного интеллекта получают киловатт тепла на интегральную схему», - говорит Рахул Манепалли (Rahul Manepalli), сотрудник Intel, который работает над технологиями производства корпусов микросхем следующего поколения.
Это такая же мощность, как у фена, но исходящая от корпуса микросхемы площадью около 4 квадратных дюймов.
Добавление стеклянной подложки обеспечивает дополнительную структурную поддержку этим гигантским энергоемким микросхемам. А поскольку на стекле можно добиться более высокой плотности новых типов соединений между чипами, оно может позволить им «общаться» друг с другом на гораздо более высоких скоростях, не используя при этом столько энергии.
Intel выпустит микрочипы на стеклянной подложке во второй половине этого десятилетия, говорит Манепалли, и компания уже продемонстрировала эффективность технологии в лаборатории.
Полный отказ от кремния
В гораздо более отдаленном будущем ученые и инженеры предвидят, что наступит день, когда можно будет полностью заменить кремний в микрочипах. Одним из альтернативных кандидатов является арсенид бора, который, как недавно подтвердили исследователи, включая Чена, занимает третье место в мире среди материалов по теплопроводности. Одно большое различие между алмазом и арсенидом бора заключается в том, что, алмаз является диэлектриком, а арсенид бора является полупроводником, как и кремний. Это означает, что его можно использовать для изготовления настоящих микрочипов. Они будут обладать свойствами, неслыханными для нынешних микросхем: они смогут работать намного быстрее, поскольку смогут гораздо быстрее отводить тепло, выделяемое в процессе работы.
Эти микросхемы будут обладать еще одним привлекательным свойством. Кристаллы арсенида бора хорошо перемещаются вокруг положительно заряженных квазичастиц, известных как «дырки» (holes) - места в материале, где электрон мог бы присутствовать, но не присутствует. Это сделало бы возможными виды вычислительной логики, которые сегодня не имеют широкого применения.
По словам Бехтольшейма, когда-нибудь микрочипы внутри компьютеров смогут состоять из блестящего и неожиданного сэндвича, состоящего из стекла сверху для быстрой коммуникации, трехмерной стопки кремниевых слоев посередине для обработки и алмазной пластины внизу для отведения всего тепла.
