Ingeniører udvikler verdens mest effektive halvledere til termisk styring

Arbejder på at adressere "hotspots" i computerchips, der forringer deres ydeevne, UCLA ingeniører har udviklet et nyt halvledermateriale, defektfri borarsenid, som er mere effektiv til at trække og aflede spildvarme end nogen anden kendt halvleder- eller metalmateriale.

Dette kan potentielt revolutionere termisk styringsdesign til computerprocessorer og anden elektronik, eller til lysbaserede enheder som LED'er.

Undersøgelsen blev for nylig offentliggjort i Videnskab og blev ledet af Yongjie Hu, UCLA assisterende professor i maskin- og rumfartsteknik.

Computerprocessorer er fortsat med at skrumpe ned til nanometerstørrelser, hvor der i dag kan være milliarder af transistorer på en enkelt chip. Dette fænomen er beskrevet under Moores lov, som forudsiger, at antallet af transistorer på en chip vil fordobles cirka hvert andet år. Hver mindre generation af chips hjælper med at gøre computere hurtigere, mere kraftfuld og i stand til at udføre mere arbejde. Men at gøre mere arbejde betyder også, at de genererer mere varme.

Håndtering af varme i elektronik er i stigende grad blevet en af ​​de største udfordringer med at optimere ydeevnen. Høj varme er et problem af to grunde. Først, efterhånden som transistorer krymper i størrelse, mere varme genereres inden for samme fodaftryk. Denne høje varme sænker processorhastigheden, især ved "hotspots" på flis, hvor varme koncentreres og temperaturer stiger. Sekund, der bruges en masse energi på at holde disse processorer kølige. Hvis CPU'er ikke blev så varme i første omgang, så kunne de arbejde hurtigere, og der skulle meget mindre energi til for at holde dem kølige.

UCLA-undersøgelsen var kulminationen på flere års forskning udført af Hu og hans studerende, der omfattede design og fremstilling af materialerne, prædiktiv modellering, og præcisionsmålinger af temperaturer.

Det fejlfri borarsenid, som blev lavet for første gang af UCLA-teamet, har en rekordhøj varmeledningsevne, mere end tre gange hurtigere til at lede varme end i øjeblikket anvendte materialer, såsom siliciumcarbid og kobber, så varme, der ellers ville koncentrere sig i hotspots, hurtigt skylles væk.

"Dette materiale kan hjælpe med at forbedre ydeevnen og reducere energibehovet i alle former for elektronik, fra små enheder til det mest avancerede computerdatacenterudstyr, "Hu sagde. "Det har fremragende potentiale til at blive integreret i nuværende fremstillingsprocesser på grund af dets halvlederegenskaber og den demonstrerede evne til at skalere denne teknologi op. Det kan erstatte nuværende avancerede halvledermaterialer til computere og revolutionere elektronikindustrien."

Undersøgelsens andre forfattere er UCLA kandidatstuderende i Hus forskningsgruppe:Joonsang Kang, Man Li, Huan Wu, og Huuduy Nguyen.

Ud over indvirkningen på elektroniske og fotoniske enheder, undersøgelsen afslørede også ny grundlæggende indsigt i fysikken om, hvordan varme strømmer gennem et materiale.

"Denne succes eksemplificerer kraften i at kombinere eksperimenter og teori i nye materialer opdagelse, og jeg tror, ​​at denne tilgang vil fortsætte med at skubbe de videnskabelige grænser på mange områder, herunder energi, elektronik, og fotonikapplikationer, " sagde Hu.