Создан новый микрокулер для охлаждения микросхем

Методы охлаждения рабочих элементов всегда были важной задачей в полупроводниковой промышленности. Эффективное и направленное охлаждение необходимо в оптоэлектронике, биоаналитических устройствах и, конечно же, в микросхемах компьютера. Если домашние компьютеры пока еще обходятся объемными внешними кулерами, то для крупных суперкомпьютеров и кластеров применяется, в частности, водное охлаждение -- объемное, дорогое и очень энергозатратное.

Идея создать встроенные в компьютерные чипы элементы, которые будут направленно и только при необходимости охлаждать процессоры и другие микросхемы современных вычислительных машин, возникла у ученых уже давно. Термоэлектрические материалы, которые отбирают тепло из окружающей среды, всегда считались одними из наиболее перспективных в данной области. Однако создать на их основе работающие элементы и, особенно, встроить их в готовую печатную плату пока не получилось.

Большая команда

Команда ученых и инженеров из Университета Аризоны и корпораций Intel, Nextreme Thermal Solutions и RTI International заявили, что им впервые удалось создать работающее устройство, использующее обратный термоэлектрический эффект. Статья о созданном ими тонкопленочном встроенном в кристалл микросхемы кулере опубликована в журнале Nature Nanotechnology.

Основным рабочим элементом в любом термоэлектрическом устройстве стал, как, впрочем, и в любом другом полупроводниковом устройстве, так называемый p-n-переход. В данном случае он сформировался на контактной границе двух тонких пленок, состоящих из сложных сверхструктурных материалов на основе теллурида висмута. Проводником p-типа (с носителями заряда -- дырками), послужила сверхструктура из теллурида висмута и теллурида сурьмы, а проводником n-типа (с носителями заряда -- электронами) -- сверхрешетка из того же теллурида висмута и селенида висмута.

Двухслойные пленки удалось получить на подложке из монокристаллического арсенида галлия. Затем их «нарезали» на небольшие прямоугольнички и последовательно соединили в единое устройство с помощью мостиков-контактов из меди. Тем самым разработчики повысили мощность устройства, увеличив физически количество p-n-переходов. В итоге ученые получили микрокулер площадью 3,5×3,5 кв. мм и толщиной в 100 микрон (0,1 миллиметра -- чуть толще среднего человеческого волоса). Толщина же рабочих элементов -- пленок на основе теллурида висмута, формирующих p-n-переходы, не превышала 10 микрон.

Конструкционные трудности

Поместить кулер создатели решили в слой меди, покрывающий микросхему и играющий роль распределителя тепла. Встроить даже крохотное, толщиной 5--10 микрон, устройство в саму микросхему очень сложно -- ведь это нарушит все существующие технологии производства микросхем и осаждения рабочих элементов на монокристалл. Поэтому тоненькую пленку-кулер просто наложили поверх определенного «перегруженного» участка чипа, снабдили контактами и покрыли тонкой медной пленкой. Участок был выбран с очень большим объемом выделения тепла, мощностью около 1300 ватт/кв. см, в то время как наиболее «горячие» точки существующих микропроцессоров выделяют тепла чуть более 300 ватт/кв. см.

Это работает

Однако создать прибор мало. Необходимо доказать, что он работает. Микросхема, работающая без термоэлектрического кулера, нагревалась в исследуемой «горячей» точке до 124,5°С. После «наложения» тонкопленочного кулера, причем не включенного в цепь, температуру работы участка удалось снизить на 7,6°С. А при включении устройства в электрическую сеть с постоянным током всего 3А -- на целых 14,9°С. Удивляться тому, что устройство эффективно даже без подачи тока, не стоит: термоэлектрический эффект в том и заключается, что превращает в ток забираемую извне тепловую энергию. А если ему «помочь» дополнительным напряжением, то он поглощает тепла еще больше.

Иногда, читая научные статьи, начинаешь задумываться: если все так просто и логично, то почему же этого никто не сделал раньше? Ответ на этот вопрос почти всегда один: простой и логичной работа ученых выглядит лишь на этапе публикаций. Сколько часов работы, мегабайтов писем с обсуждениями и дорогих реактивов было затрачено в поисках простоты и легкости, ученые никогда не напишут.

Вот и в данном случае над крохотной «штучкой» трудились аж четыре не самых слабых инженерно-физических группы. Зато теперь они могут смело заявить, что состоятельность идеи применения термоэлектрических охладителей, встроенных в микросхему, доказана. И хотя в таком виде о массовом коммерческом ее запуске говорить рановато, очевидно, что после некоторых доработок она увидит свет. Особенно это касается специфических применений. Например, микросхем с очень высокой мощностью в суперкомпьютерных и кластерных вычислительных центрах. А также в портативных устройствах, где мощности не столь велики, но зато каждый грамм веса, кубический сантиметр объема и ампер тока имеет критическое значение.