Современные процессоры, графические ускорители и ИИ-чипы становятся все мощнее, но вместе с производительностью растет и нагрев. Причем проблема не только в том, что тепла много. На одном участке кристалла температура может быть значительно выше, чем на соседнем, а в многослойных чипах отвести тепло от внутренних компонентов становится все сложнее.

Исследователи из Университета Осаки предложили необычный способ частично решить эту проблему. Они создали материал, который позволяет направлять тепловое излучение в нужную сторону и одновременно не требует постоянного питания для сохранения выбранного режима. По сути, это программируемый элемент управления теплом: достаточно один раз задать нужное состояние, после чего оно сохраняется до следующего изменения. Добиться такого эффекта удалось, объединив магнитооптический материал с решеткой на основе вещества с фазовым переходом. Как это работает? 

Почему не справляются современные системы охлаждения

Обычные структуры отводят тепло только с поверхности процессора. Независимо от того, используется воздушный кулер, испарительная камера или жидкостное охлаждение, вся лишняя энергия сначала должна пройти через сам кристалл, затем через теплораспределительную крышку и лишь потом попасть к радиатору. Пока источники тепла расположены близко к поверхности, такой подход работает достаточно эффективно.

Но современные процессоры по большей части состоят не из одного кристалла, а из нескольких чиплетов. В перспективе структура станет еще сложнее — много слоев, расположенных друг над другом. В таких конструкциях часть вычислительных блоков оказывается глубоко внутри корпуса. Чтобы тепло добралось до радиатора, ему приходится проходить через несколько слоев кремния, металлизации, подложек и соединений. Каждый из них оказывает дополнительное тепловое сопротивление, поэтому внутренние области охлаждаются заметно хуже внешних.

Есть и еще одна проблема. Большинство существующих систем работают одинаково для кристалла. Если перегревается небольшой участок, приходится увеличивать интенсивность охлаждения целого процессора, хотя остальные области могут иметь вполне нормальную температуру. Поэтому все больше исследований посвящено технологиям, которые позволят не просто быстрее отводить тепло наружу, а управлять его движением прямо внутри самой микросхемы.

Возможно, новая разработка поможет решить эту проблему.

Что за материал

В основе лежит двухслойная конструкция. Снизу — арсенид индия толщиной около 3,2 микрометра, он выполняет роль волновода. Поверх него сформирована решетка из GST (Ge₂Sb₂Te₅) толщиной 5 мкм с периодом 4,8 мкм и шириной элементов 1,8 мкм. Снизу вся структура подпирается толстым серебряным отражателем. Такая геометрия была подобрана с помощью точного моделирования. Систему настроили так, чтобы она работала на длине волны около 13 мкм. Именно в этом диапазоне современные процессоры и ИИ-чипы излучают сильнее всего.

Рабочий угол составляет всего около 3° от нормали. Во многих аналогичных разработках добиться такой выраженной асимметрии удавалось только при сильном наклоне самой структуры относительно источника теплового излучения. В таком положении уменьшалась площадь, воспринимающая излучение, поэтому часть эффективности неизбежно терялась. Здесь же эффект сохраняется даже при практически перпендикулярном расположении структуры, а коэффициент несимметрии достигает 0,9. Магнитное поле около 1 Тл используется для тонкой настройки спектрального отклика, а решетка GST фиксирует одно из двух базовых состояний. 

Когда слой GST находится в аморфной стадии, структура лучше управляет тепловым излучением и обеспечивает максимальную несимметрию. После перехода в кристаллическое состояние ее оптические свойства меняются, из-за чего эффект направленного излучения заметно ослабевает. Материал переключается между двумя состояниями с помощью нагрева: кристаллизация начинается при температуре около 150–200 °C, а для обратного перехода его ненадолго нагревают до практически плавления и затем быстро охлаждают. После этого новое состояние сохраняется без дальнейших затрат энергии, а магнитное поле и угол падения позволяют точно настроить характеристики теплового излучения. 

Геометрию рассчитали для диапазона с упором в охлаждение электронных и фотонных систем. Если подобную структуру удастся встроить в существующие чипы, часть тепловой энергии можно будет перенаправлять от наиболее горячих участков к областям, где ее проще рассеять обычными средствами охлаждения.

Между компьютерной моделью и готовым устройством большой путь. Исследователям нужно подтвердить результаты моделирования на реальных образцах, оценить долговечность материала GST и понять, насколько стабильными останутся его свойства после большого числа переключений и длительной работы. 

Не меньше вопросов вызывает интеграция такой структуры в существующие технологии производства чипов. Нужно проверить, как она будет работать рядом с металлическими межсоединениями, диэлектрическими слоями и другими элементами современной упаковки, которые сами могут поглощать, отражать или рассеивать инфракрасное излучение. Кроме того, предстоит оценить влияние многократных переключений материала GST на его долговечность и стабильность характеристик.

Где пригодится эта технология

Возможных областей применения у нее уже немало. В первую очередь речь идет о кремниевой фотонике — микросхемах, которые работают не только с электрическими сигналами, но и со светом. Для них даже небольшое изменение температуры может нарушить работу лазеров, оптических резонаторов и других элементов. Если удастся локально управлять тепловым излучением, часть таких проблем можно будет решать без постоянной работы активных систем охлаждения.

Еще одно интересное направление — так называемые тепловые вычисления. Их идея заключается в том, чтобы использовать для передачи информации не электрический ток, а потоки тепловой энергии. В этом случае нужны элементы, способные направлять, блокировать и переключать тепло, примерно так же, как транзисторы управляют электрическим током. Новая структура потенциально может стать одним из таких базовых элементов.

Направленное тепловое излучение может найти применение не только в процессорах. Оно пригодится в устройствах, где важно отводить энергию в заданном направлении, не нагревая соседние компоненты. Еще одна перспективная область — термоэлектрические генераторы, превращающие разницу температур в электричество. Если удастся подводить к ним больше тепла, эффективность таких устройств может вырасти. При этом после настройки материал сохраняет свое состояние без постоянного питания, снижая дополнительные затраты энергии.