Проблема перегрева, знакомая каждому владельцу ноутбука, в глобальных масштабах превращается в серьёзное препятствие для развития вычислительных технологий. Серверы и центры обработки данных по всему миру тратят колоссальные объёмы энергии на охлаждение, а с уменьшением размеров и увеличением мощности компьютерных чипов управление теплом становится только сложнее. Понимание того, как именно тепло движется через микросхемы на микроскопическом уровне, критически важно для повышения их производительности, однако большинство существующих методов измерения тепловых потоков неэффективны при работе с многослойными устройствами, составляющими основу современной электроники.
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) представили новый подход к изучению теплопроводности в многослойных материалах, который сочетает глубокое проникновение рентгеновских лучей и лазерные импульсы для подачи тепла. Эта методика позволила учёным не только заглянуть в структуру перспективного материала для транзисторов и гибкой электроники, но и выявить неожиданные эффекты на уровне микроскопических дефектов. В ходе эксперимента специалисты обнаружили, что единичный дефект размером всего в один микрон способен снизить способность материала отводить тепло в четыре раза по сравнению с нормой. Кроме того, было установлено, что такой изъян приводит к неравномерному распространению тепла, которое значительно легче движется в одном направлении, чем в другом.
По мнению исследовательской группы, разработанный подход может кардинально изменить понимание процессов перегрева в устройствах и помочь компаниям создавать более энергонасыщенную электронику для широкого спектра применений — от систем искусственного интеллекта и носимых гаджетов до технологий чистой энергетики. Как отмечает Мингда Ли, доцент кафедры ядерной науки и инженерии MIT и соавтор работы, перегрев стал настоящим узким местом в производительности устройств. Традиционные диагностические методики не позволяли работать на микро- и нанометровом уровнях, но производители стремятся именно к этому, чтобы изучать носители тепла и предотвращать возникновение локальных "горячих точек", проектируя более совершенные приборы. Представленный метод, по его словам, является важным шагом в данном направлении.
Традиционные оптические методы, такие как времяразрешающая тепловая рефлектометрия, имеют серьёзные ограничения: они не позволяют раздельно изучать слои реальных устройств (которых может быть пять и более) и дают лишь усреднённый сигнал, скрывая процессы, происходящие под поверхностью. Инфракрасные камеры, в свою очередь, не могут фиксировать крошечные изменения с необходимой скоростью. Чтобы преодолеть эти барьеры, учёные MIT обратились к новой аналитической технике, использующей электронные импульсы и сверхбыстрые рентгеновские лучи. Такая комбинация позволяет фокусировать пучок с невероятно высоким пространственным разрешением и одновременно фиксировать изменения в деформации материала на атомном уровне в реальном времени, пока лазер нагревает образец. В отличие от прежних измерений, рентгеновское излучение чётко показывает, как тепло распространяется через границы раздела сред благодаря дифракции.
В качестве тестового образца использовалось устройство из слоя нитрида галлия на кремнии — комбинация, известная своей эффективной теплопроводностью, но страдающая от ухудшения характеристик из-за микроскопических дефектов обработки. Эксперимент подтвердил эти опасения и даже превзошёл их: помимо четырёхкратного падения рассеивания тепла в районе складчатого дефекта, исследователи зафиксировали снижение теплопроводности на 25% по всему материалу. Эти результаты оказались гораздо серьёзнее, чем предполагалось в теоретических моделях, которые обычно рассматривают идеальные кристаллы без изъянов. По словам Мингда Ли, подобные крупные дефекты часто встречаются в двумерных материалах, но ранее никто не знал, насколько сильно они блокируют тепловой поток.
Сейчас методика уже вызвала интерес у ведущего отраслевого консорциума полупроводниковой промышленности, который предложил сотрудничество для изучения различных типов чипов. Учёные уверены, что их подход применим к широкому спектру материалов и устройств, позволяя пропускать ток, освещать их рентгеном и видеть рассеивание тепла в мельчайших масштабах. Как подчёркивает соавтор работы Джихван Ким, это именно то, чего индустрия ждала долгое время. Полученные данные позволят улучшить тепловое проектирование электронных систем, учитывая сложную геометрию и расположение слоёв, и предоставят производителям прямые экспериментальные доказательства, необходимые для создания более надёжной и мощной техники.
Исследование в журнале Nature Communications.