Grafen hjælper kobbertråde til at holde sig kølige

Når folk i chipindustrien taler om de termiske problemer i computerprocessorer, bliver de dramatiske. I 2001 bemærkede Pat Gelsinger, daværende vicepræsident for Intel, at hvis temperaturerne produceret af de seneste chips blev ved med at stige på deres nuværende vej, ville de overstige varmen fra en atomreaktor i 2005 og solens overflade i 2015. Heldigvis blev en sådan termisk katastrofe afværget ved at sænke omskiftningshastighederne i mikroprocessorer og ved at vedtage multicore-chipdesign, hvor flere processorer kører parallelt.

Afkøling: Et nærbillede viser kobber før grafen er blevet tilføjet (øverst), og efter (nedenfor).

Nu har halvlederindustrien endnu et termisk problem at løse. Når chipkomponenter krymper, skal kobberledningerne, der forbinder dem, også krympe. Og da disse ledninger bliver tyndere, opvarmes de enormt.

En potentiel løsning på denne sammenkoblingsfeber er blevet fundet i form af grafen, et eksotisk materiale lavet af enkeltatom-tykke plader af kulstof, der er en superlativ leder af både elektroner og varme.

Materialeforskere bruger allerede kobber som katalysator til at dyrke grafen til andre formål. Så Alexander balandin fra University of California, Riverside og Kostya Novoselov , en fysiker ved University of Manchester, U.K., der vandt 2010 Nobelprisen i fysik for hans grundlæggende arbejde med grafen (se Graphene vinder Nobelprisen), besluttede at lade grafenet blive på kobberet for at se, hvordan det påvirkede metallets termiske egenskaber. I et papir offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver , rapporterer de, at en sandwich lavet af grafen på begge sider af et ark kobber forbedrer kobberets evne til at sprede varme med 25 procent - et betydeligt tal for chipdesignere.

Balandin siger, at grafenen i sig selv ikke ser ud til at lede varmen væk. Det ændrer snarere kobberets struktur og forbedrer metallets ledende egenskaber. Varme, der bevæger sig gennem kobber, bremses normalt af metallets krystallinske struktur. Grafen ændrer denne struktur, hvilket får disse vægge til at bevæge sig længere fra hinanden og tillader varmen at flyde lettere, siger Balandin.

Undersøgelser blev udført med relativt tykke kobberplader - meget større end kobbertrådene, der findes i computerchips - men Balandin forventer, at den varmeledende effekt også vil kunne ses i tyndere kobbertråde. Han arbejder nu på kobber-grafen ledninger så små som dem, der bruges i kommercielle computerchips.

Problemet er et presserende problem. I år forventes Intel at annoncere produkter indeholdende 14-nanometer transistorer med kobberforbindelser omkring i denne skala eller endnu mindre. Kobbertråde fungerer ikke under 10 nanometer, og det er ikke klart, hvad der vil. Vi har endnu ikke fundet et sammenkoblingsmateriale, der kan arbejde ud over 10 nanometer, delvist på grund af overophedning, siger Saroj Nayak , en fysiker ved Center for Integrated Electronics ved Rensselaer Polytechnic Institute i Troy, New York.

Majeed Foad, en elektroingeniør hos Anvendte materialer , en producent af halvlederudstyr med hovedkontor i Santa Clara, Californien, som hjælper virksomheden med at spore forskning i nye materialer, siger, at grafens egenskaber er spændende, men tilføjer, at efterhånden som chipkomponenter miniaturiseres, bliver de mere følsomme over for høje temperaturer. Det kræver meget varme at lave grafen af ​​god kvalitet – Balandin og Novoselov opvarmede deres ledninger til over 1.000 °C. Foad siger, at sådanne temperaturer ville forringe transistorer og andre chipkomponenter. Balandin peger dog på laboratorieforsøg, der viser, at grafen kan dyrkes ved lavere temperaturer, i det mindste i forskningsmiljøet.

Uanset, siger Foad, vil chipproducenter ikke have travlt med at omfavne grafen. At skifte materialer er meget smertefuldt, så vi vil presse hver sidste dråbe ydeevne ud af det, vi har, siger han.

Det er klart, at blot at proppe flere transistorer i processorer og sætte flere processorer i chips ikke vil være holdbart meget længere. High-end chips indeholder allerede omkring 50 til 60 kilometer kobberledninger og flere kerner.

Jonathan Candelaria , direktør for interconnect research hos Semiconductor Research Corporation, et industrikonsortium i Durham, North Carolina, siger, at tilføjelse af flere transistorer ikke forbedrer ydeevnen, som det plejede. Løsningen kan igen vise sig at være at indføre fundamentalt forskellige arkitekturer. Nye måder at designe og pakke chips på kunne hjælpe med at løse varmeproblemet, siger Candelaria, og det vil give industrien tid til at finde ud af problemer med nye materialer, måske også de nye grafen-kobber-hybrider.

skjule