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..