Информационный портал Калининграда

Не горячись: пористый кремний решит проблему охлаждения электроники

Дата публикации: 16 апреля 2018 09:55
Автор: Евгений Осипов

Не горячись: пористый кремний решит проблему охлаждения электроники

Команда во главе с Цзаехо Ли (Jaeho Lee) из Калифорнийского университета в Ирвайне продемонстрировала потенциал пористого кремния в деле охлаждения микросхем. Учёные выяснили, что проделанные в нужных местах микроскопические отверстия являются "проводниками" для тепла, отводящими избыточную энергию в предназначенные для этого точки.

Каждому знаком тихий шелест вентилятора, сопровождающий работу стационарного компьютера или ноутбука. В мощных вычислительных и дата-центрах охлаждение превращается в серьёзную проблему. Иногда их специально сооружают на берегу моря, чтобы не было недостатка в холодной воде для радиаторов.

Не меньше трудностей создаёт избыточное тепло и в небольших устройствах. Ведь в смартфоне или умных часах вентилятору не место. При этом инженеры стремятся упаковать на квадратном миллиметре как можно больше транзисторов, чтобы повысить быстродействие и объём памяти. Мог ли кто-то подумать лет 20 назад, что устройство с несколькими гигабайтами оперативной памяти будет помещаться в карман? Однако чем плотнее расположены нагревающиеся детали, тем труднее их охлаждать.

Команда Ли подошла к делу с научной стороны. В начале 2017 года учёные опубликовали в журнале Nature Communications статью, в которой исследовали распространение фононов в пластинах кремния.

Фонон – это квазичастица, описывающая колебания кристаллической решётки. О том, что такое квазичастица, "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали. Вкратце речь о том, что физикам часто бывает удобно представить изучаемый процесс как движение частиц с определёнными характеристиками (зарядом и так далее). Такие частицы являются моделью, упрощающей расчёты, то есть на самом деле они не существуют (нельзя, например, наблюдать поток этих частиц в вакууме). Поэтому их и называют квазичастицами.

Вернёмся к кристаллам. Их теплопроводность определяется колебаниями атомов, так что фононы имеют к ней самое прямое отношение. Опираясь на свои результаты по изучению этих квазичастиц, в новой работе учёные исследовали тепловые свойства кремниевых пластин, в которых созданы вертикальные поры нанометрового диаметра.

"Мы обнаружили, что тепло предпочитает распространяться через пористый кремний вертикально, но не поперёк [пор], что означает, что материал может эффективно перемещать тепло от локальных нагретых точек к системам охлаждения", – объясняет Ли в пресс-релизе.

Таким образом, можно создавать в нужных местах каналы для отвода тепла, что гораздо легче, чем охлаждать всю систему в целом.

Всё дело в том, что поры вызывают обратное рассеяние фононов, которое препятствует их распространению поперёк канала. В то же время фононы с большой длиной волны (напомним, что квантовые частицы проявляют волновые свойства) эффективно транспортируют тепло вдоль "проложенного пути".

Лабораторные исследования показали, что такие пластины охлаждаются в четыре раза эффективнее, чем снабжённые стандартными охлаждающими устройствами на основе халькогенидов.

Новая технология важна не только потому, что позволит и дальше уменьшать размеры электронных устройств. Нагрев является одним из главных факторов износа электроники. Эффективное охлаждение повысит долговечность гаджетов, а значит, и надёжность. Это немаловажно в мире, где компьютеры уже управляют автомобилями.

"С одной стороны, нанотехнологии открыли совершенно новый мир возможностей, но с другой стороны, это создало множество проблем, – заключает Ли.– Важно, чтобы мы продолжали совершенствовать понимание основ транспорта тепла и находить способы управления передачей тепла в наномасштабах".

Напомним, что "Вести.Наука" ранее писали о том, как физики из МФТИ нашли своё решение проблемы охлаждения для микропроцессоров будущего.

Похожие статьи:
Пептидная зубная паста восстановит эмаль и залечит полости в зубах
Чрезмерная популярность вредит исчезающим видам животных
Геологи смоделировали формирование ирландской Тропы Великана
Срок службы стройматериалов продлит древесный мусор
Археологи нашли погранзаставу времён Александра Македонского
Астрономы обнаружили, что двойные звёзды плюются планетами

Комментарии


Имя/Ник:
e-mail:
Комментарий:
Антиспам:
Код с картинки:
Добавить комментарий
Отправка сообщения Отправка сообщения... Сообщение отправлено Комментарий сохранен
и будет опубликован после проверки администратором.
Возникли ошибки! Возникли ошибки!