- 28,639
- 46
- 8 Ноя 2022
И это меняет всё, что мы знали об охлаждении процессоров.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1200/676;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
<div itemprop="articleBody">В обычных материалах тепло растекается от горячей точки во все стороны. Однако в кристалле борида мышьяка тепловая энергия при комнатной температуре может двигаться по узким направленным путям, почти как лучи света. Направление задает внутренняя структура кристалла, поэтому поток можно заранее направить туда, где тепло проще отвести или использовать.
Тепло в твердом теле переносят фононы — коллективные колебания атомов кристаллической решетки. Фонон нельзя считать отдельной частицей в привычном смысле. Термин описывает порцию энергии, которая распространяется через согласованные движения множества атомов. Подобно волнам на поверхности воды, колебания передают энергию дальше, хотя сами атомы остаются около своих положений.
При комнатной температуре фононы обычно часто сталкиваются друг с другом, с примесями и дефектами кристалла. После множества столкновений исходное направление теряется, поэтому тепло постепенно расходится во все стороны. Физики называют подобный процесс диффузионной теплопроводностью.
Иначе ведут себя очень холодные кристаллы. При температурах всего на несколько градусов выше абсолютного нуля колебаний становится меньше, а фононы могут проходить большие расстояния почти без рассеяния. В подходящих материалах поток энергии тогда сосредоточивается вдоль определенных направлений кристаллической решетки. Явление называют фокусировкой фононов.
До сих пор фокусировку наблюдали главным образом при криогенных температурах. Для электроники подобные условия непрактичны: охлаждать обычные микросхемы почти до абсолютного нуля слишком сложно и дорого. Новый эксперимент показал, что направленное движение фононов сохраняется и при комнатной температуре, если выбрать материал с подходящей кристаллической структурой.
Таким материалом оказался борид мышьяка — кристаллический полупроводник с очень высокой теплопроводностью. Его атомная решетка устроена так, что фононы сравнительно редко рассеиваются и успевают пройти заметное расстояние, не потеряв направления.
Чтобы увидеть распределение тепла, ученые разработали метод измерения температуры на нанометровом масштабе. В обычных материалах нагретая область расширялась почти равномерным кругом. Подобная форма соответствует привычной теплопроводности: энергия постепенно расходится от центра во всех направлениях.
В бориде мышьяка появилась совсем другая картина. От горячей точки отходили узкие вытянутые области повышенной температуры. Они совпадали с определенными направлениями внутри кристалла и напоминали расходящиеся лучи.
Форма зависела от того, как был ориентирован образец. На разных кристаллографических плоскостях возникали рисунки с четырьмя, шестью или восемью выраженными направлениями. Изменение ориентации заранее определяло, куда пойдет основная часть теплового потока.
Такая зависимость возникает из-за анизотропии кристалла. Свойства анизотропного материала меняются в зависимости от направления. Фононам легче двигаться вдоль одних осей решетки и сложнее вдоль других, поэтому энергия распределяется неравномерно.
Направленное движение сохранялось на расстоянии около одного микрометра. Расчеты допускают, что в подходящих условиях фононы смогут проходить десятки микрометров. Для повседневного масштаба расстояние кажется ничтожным, но размеры элементов современных микросхем, фотонных устройств и квантовых датчиков лежат в том же диапазоне.
Разработчики электроники обычно борются с перегревом уже после того, как энергия распространилась по кристаллу. Они добавляют радиаторы, теплопроводящие прослойки, вентиляторы или жидкостное охлаждение. Борид мышьяка предлагает другой принцип: не собирать рассеянное тепло, а с самого начала направлять его по заранее выбранному маршруту.
Материал можно сравнить с оптическим волокном, которое удерживает свет и ведет его вдоль заданного пути. Полного сходства нет, поскольку свет и колебания решетки подчиняются разным законам. Однако практическая идея похожа: внутренняя структура материала определяет маршрут переноса энергии.
Подобный подход пригодится в процессорах для искусственного интеллекта, где высокая плотность вычислений создает локальные горячие участки. Даже мощная система охлаждения не всегда успевает быстро отвести энергию из отдельных зон кристалла. Направленный тепловой канал мог бы выводить ее к краю микросхемы или к специальному теплоотводу до того, как перегрев снизит производительность.
Та же проблема возникает в силовой электронике, фотонных схемах, авиационных системах и компактных датчиках. Чем меньше устройство и выше его мощность, тем труднее избавиться от тепла. Перегрев ускоряет износ, повышает уровень шума, меняет электрические характеристики и ограничивает допустимую нагрузку.
Фононы влияют не только на температуру. Они взаимодействуют с электронами, светом и другими переносчиками энергии. Управление траекториями фононов позволит менять силу подобных взаимодействий и точнее настраивать свойства электронных и квантовых устройств.
Для квантовой техники тепло особенно опасно. Случайные колебания среды нарушают хрупкие квантовые состояния и увеличивают число ошибок. Возможность отводить фононы от чувствительной области или, наоборот, сосредоточивать их в нужной точке поможет создавать датчики и элементы обработки информации с более предсказуемыми характеристиками.
Экспериментальные температурные рисунки совпали с теоретическими расчетами. Совпадение подтвердило, что лучевые структуры связаны именно с длительным движением фононов без частых столкновений, а не с дефектами образца или ошибкой измерения.
Необычное поведение борида мышьяка объясняет слабое рассеяние фононов. В большинстве кристаллов разные колебания быстро обмениваются энергией и меняют направление. В бориде мышьяка многие подобные взаимодействия подавлены особенностями атомных масс и колебательного спектра решетки. Поэтому фононы дольше сохраняют согласованное волновое движение даже при комнатной температуре.
Полупроводник уже рассматривали как материал для охлаждения электроники. Ранее его соединяли с нитридом галлия и применяли в тепловых интерфейсах , которые переносят энергию от работающего устройства к теплоотводу. Новые результаты расширяют возможную роль материала: борид мышьяка способен не просто хорошо проводить тепло, но и задавать направление его движения.
До практического применения еще предстоит решить несколько задач. Крупные кристаллы борида мышьяка сложно выращивать без примесей и дефектов, а производство должно быть совместимо с существующими технологиями изготовления микросхем. Инженерам также потребуется научиться соединять материал с другими полупроводниками и точно ориентировать кристалл относительно источников тепла.
Сам результат меняет привычное представление о теплопроводности при комнатной температуре. Тепло внутри твердого тела не всегда обязано бесконтрольно расходиться от нагретого участка. В подходящем кристалле атомные колебания сохраняют направление и образуют устойчивые пути длиной до нескольких микрометров. Такой механизм дает основу для устройств, в которых тепловой поток проектируют почти так же точно, как электрические соединения или оптические каналы.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1200/676;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
<div itemprop="articleBody">В обычных материалах тепло растекается от горячей точки во все стороны. Однако в кристалле борида мышьяка тепловая энергия при комнатной температуре может двигаться по узким направленным путям, почти как лучи света. Направление задает внутренняя структура кристалла, поэтому поток можно заранее направить туда, где тепло проще отвести или использовать.
Тепло в твердом теле переносят фононы — коллективные колебания атомов кристаллической решетки. Фонон нельзя считать отдельной частицей в привычном смысле. Термин описывает порцию энергии, которая распространяется через согласованные движения множества атомов. Подобно волнам на поверхности воды, колебания передают энергию дальше, хотя сами атомы остаются около своих положений.
При комнатной температуре фононы обычно часто сталкиваются друг с другом, с примесями и дефектами кристалла. После множества столкновений исходное направление теряется, поэтому тепло постепенно расходится во все стороны. Физики называют подобный процесс диффузионной теплопроводностью.
Иначе ведут себя очень холодные кристаллы. При температурах всего на несколько градусов выше абсолютного нуля колебаний становится меньше, а фононы могут проходить большие расстояния почти без рассеяния. В подходящих материалах поток энергии тогда сосредоточивается вдоль определенных направлений кристаллической решетки. Явление называют фокусировкой фононов.
До сих пор фокусировку наблюдали главным образом при криогенных температурах. Для электроники подобные условия непрактичны: охлаждать обычные микросхемы почти до абсолютного нуля слишком сложно и дорого. Новый эксперимент показал, что направленное движение фононов сохраняется и при комнатной температуре, если выбрать материал с подходящей кристаллической структурой.
Таким материалом оказался борид мышьяка — кристаллический полупроводник с очень высокой теплопроводностью. Его атомная решетка устроена так, что фононы сравнительно редко рассеиваются и успевают пройти заметное расстояние, не потеряв направления.
Чтобы увидеть распределение тепла, ученые разработали метод измерения температуры на нанометровом масштабе. В обычных материалах нагретая область расширялась почти равномерным кругом. Подобная форма соответствует привычной теплопроводности: энергия постепенно расходится от центра во всех направлениях.
В бориде мышьяка появилась совсем другая картина. От горячей точки отходили узкие вытянутые области повышенной температуры. Они совпадали с определенными направлениями внутри кристалла и напоминали расходящиеся лучи.
Форма зависела от того, как был ориентирован образец. На разных кристаллографических плоскостях возникали рисунки с четырьмя, шестью или восемью выраженными направлениями. Изменение ориентации заранее определяло, куда пойдет основная часть теплового потока.
Такая зависимость возникает из-за анизотропии кристалла. Свойства анизотропного материала меняются в зависимости от направления. Фононам легче двигаться вдоль одних осей решетки и сложнее вдоль других, поэтому энергия распределяется неравномерно.
Направленное движение сохранялось на расстоянии около одного микрометра. Расчеты допускают, что в подходящих условиях фононы смогут проходить десятки микрометров. Для повседневного масштаба расстояние кажется ничтожным, но размеры элементов современных микросхем, фотонных устройств и квантовых датчиков лежат в том же диапазоне.
Разработчики электроники обычно борются с перегревом уже после того, как энергия распространилась по кристаллу. Они добавляют радиаторы, теплопроводящие прослойки, вентиляторы или жидкостное охлаждение. Борид мышьяка предлагает другой принцип: не собирать рассеянное тепло, а с самого начала направлять его по заранее выбранному маршруту.
Материал можно сравнить с оптическим волокном, которое удерживает свет и ведет его вдоль заданного пути. Полного сходства нет, поскольку свет и колебания решетки подчиняются разным законам. Однако практическая идея похожа: внутренняя структура материала определяет маршрут переноса энергии.
Подобный подход пригодится в процессорах для искусственного интеллекта, где высокая плотность вычислений создает локальные горячие участки. Даже мощная система охлаждения не всегда успевает быстро отвести энергию из отдельных зон кристалла. Направленный тепловой канал мог бы выводить ее к краю микросхемы или к специальному теплоотводу до того, как перегрев снизит производительность.
Та же проблема возникает в силовой электронике, фотонных схемах, авиационных системах и компактных датчиках. Чем меньше устройство и выше его мощность, тем труднее избавиться от тепла. Перегрев ускоряет износ, повышает уровень шума, меняет электрические характеристики и ограничивает допустимую нагрузку.
Фононы влияют не только на температуру. Они взаимодействуют с электронами, светом и другими переносчиками энергии. Управление траекториями фононов позволит менять силу подобных взаимодействий и точнее настраивать свойства электронных и квантовых устройств.
Для квантовой техники тепло особенно опасно. Случайные колебания среды нарушают хрупкие квантовые состояния и увеличивают число ошибок. Возможность отводить фононы от чувствительной области или, наоборот, сосредоточивать их в нужной точке поможет создавать датчики и элементы обработки информации с более предсказуемыми характеристиками.
Экспериментальные температурные рисунки совпали с теоретическими расчетами. Совпадение подтвердило, что лучевые структуры связаны именно с длительным движением фононов без частых столкновений, а не с дефектами образца или ошибкой измерения.
Необычное поведение борида мышьяка объясняет слабое рассеяние фононов. В большинстве кристаллов разные колебания быстро обмениваются энергией и меняют направление. В бориде мышьяка многие подобные взаимодействия подавлены особенностями атомных масс и колебательного спектра решетки. Поэтому фононы дольше сохраняют согласованное волновое движение даже при комнатной температуре.
Полупроводник уже рассматривали как материал для охлаждения электроники. Ранее его соединяли с нитридом галлия и применяли в тепловых интерфейсах , которые переносят энергию от работающего устройства к теплоотводу. Новые результаты расширяют возможную роль материала: борид мышьяка способен не просто хорошо проводить тепло, но и задавать направление его движения.
До практического применения еще предстоит решить несколько задач. Крупные кристаллы борида мышьяка сложно выращивать без примесей и дефектов, а производство должно быть совместимо с существующими технологиями изготовления микросхем. Инженерам также потребуется научиться соединять материал с другими полупроводниками и точно ориентировать кристалл относительно источников тепла.
Сам результат меняет привычное представление о теплопроводности при комнатной температуре. Тепло внутри твердого тела не всегда обязано бесконтрольно расходиться от нагретого участка. В подходящем кристалле атомные колебания сохраняют направление и образуют устойчивые пути длиной до нескольких микрометров. Такой механизм дает основу для устройств, в которых тепловой поток проектируют почти так же точно, как электрические соединения или оптические каналы.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
