Разработан термометр из двумерных материалов для мгновенного измерения температуры внутри процессора
Исследователи из Университета штата Пенсильвания в США совершили прорыв в области охлаждения микроэлектроники, разработав микроскопический термометр на основе двумерных материалов, предназначенный для прямой интеграции в компьютерные чипы.
Уникальность разработки заключается в том, что этот «микроскопический термометр» по размеру меньше усика муравья, что позволяет ему измерять температуру непосредственно на чипе. Эти крошечные устройства способны улавливать скачок температуры всего за 100 наносекунд, что в миллионы раз быстрее, чем моргание человеческого глаза. Как отмечает Саптарши Дас, профессор инженерных наук и механики из Пенсильванского университета, современные чипы быстро нагреваются во время работы, но датчики, контролирующие их температуру, обычно не встроены в сам чип. Одним из главных вопросов для исследователей была возможность интеграции датчиков температуры непосредственно в чипы, что позволило бы получать более быстрые и точные показания.
Современные процессоры страдают от внутреннего «тепла», поскольку миллиарды транзисторов выделяют энергию, влияющую на производительность, а внешние датчики не могут точно измерить этот процесс. Новая разработка кладет конец таким неточным измерениям, предлагая использовать микроскопические термометры, которые следят за температурой изнутри. Эти новые сенсоры созданы из двумерных материалов, называемых биметаллическими тиофосфатами, толщиной всего в несколько атомов. Используя уникальные свойства этих материалов, где ионы движутся свободно даже под воздействием электрического тока, ученые уменьшили термометры до одного квадратного микрометра, что в тысячи раз тоньше человеческого волоса. Такие свойства позволяют датчикам сохранять высокую чувствительность к изменениям температуры, несмотря на их микроскопический размер. Дас подчеркивает, что использование этого класса материалов позволило создать очень быстрые, энергоэффективные и миниатюрные тепловые сенсоры, которые можно размещать во множестве на одном чипе.
Изобретение также решает давнюю проблему восприятия движения ионов. Долгое время разработчики чипов считали движущиеся ионы помехой, так как они мешают плавному потоку электронов. Однако команда из Пенсильвании поняла, что, хотя ионы и вредны для обработки данных, они невероятно эффективны для измерения тепла. Соединив эти чувствительные ионы с электронами, исследователи создали датчик, который в 100 раз меньше существующих отраслевых лидеров. Во время испытаний в Лаборатории нанопроизводства Института материаловедения было произведено и интегрировано на один компьютерный чип несколько тысяч таких датчиков. Эта оптимизированная конструкция оказалась в 80 раз энергоэффективнее современных кремниевых систем, поскольку работает без дополнительных схем и громоздких преобразователей сигналов.
По словам Даса, это доказательство концепции, демонстрирующее, что такой дизайн работает: он поддается миниатюризации, потребляет мало энергии и может стать следующим шагом на пути к встраиванию термоконтроля непосредственно в чипы. Помимо повышения стабильности работы современных компьютеров, Дас видит в этих датчиках прототип для нового поколения сверхкомпактных технологий. В будущем подобные миниатюрные сенсоры смогут отслеживать химические, оптические и физические параметры в рамках единой интегрированной системы.
Результаты исследования были в журнале Nature Sensors.