یک تیم تحقیقاتی در دانشگاه استنفورد رویکرد جدیدی را برای مقابله با گلوگاه حرارتی ترانزیستورهای RF با استفاده از الماس ابداع کرده است. با پوشاندن ترانزیستورها با یک لایه الماس یکپارچه که روی خود ترانزیستور رشد داده شده، محققان توانستند دمای تراشه را در دنیای واقعی تا 70 درجه سانتی‌گراد و در آزمایش‌های شبیه‌سازی شده تا 90% کاهش دهند.

همانطور که این هفته در IEEE Spectrum منتشر شد، آزمایش‌ها با استفاده از روش جدید الماس، نتایج امیدوارکننده‌ای را در مبارزه با گلوگاه‌های حرارتی در الکترونیک ما نشان داده‌اند. با قدرتمندتر و متراکم‌تر شدن نیمه‌هادی‌ها و پردازنده‌ها، ترانزیستورها نیز فشرده‌تر می‌شوند؛ به عنوان مثال، معماری GPU بلک‌ول انویدیا 208 میلیارد ترانزیستور را در یک GPU واحد جای داده است.

تمام این فشرده‌سازی و کوچک‌سازی در حال برخورد با محدودیت‌های حرارتی است، زیرا نوآوری‌ها در بهره‌وری توسط محدودیت‌های حرارتی خنثی می‌شوند. به همین منظور، محققان استنفورد به رهبری سرابانتی چودوری سال‌هاست که استفاده از لایه‌های الماس را در ساخت ترانزیستورها مطالعه می‌کنند، حداقل از سال 2022.

استفاده از الماس در کنار ترانزیستورهای GaN چیز جدیدی نیست؛ ژاپن نیز در سال 2022 تحقیقاتی در این زمینه منتشر کرد و صندوق دارپا (DARPA) ایالات متحده در سال 2024 شرکت Raytheon را برای تحقیق در این زمینه استخدام کرد. بزرگترین نوآوری که تیم پروفسور چودوری این هفته به دست آورد، توانایی رشد مستقیم الماس روی دستگاه‌های نیمه‌هادی در دمای به اندازه کافی پایین برای حفظ عملکرد قطعات بود. قبل از این پیشرفت، ورقه‌های الماس در مقیاس میکرومتری تنها می‌توانستند در محدوده 1000 درجه سانتی‌گراد یا بالاتر رشد کنند.

روش رشد الماس تیم چودوری قادر است «الماس پلی‌کریستالی با دانه‌های بزرگ را در اطراف دستگاه‌ها در دمای 400 درجه سانتی‌گراد» تولید کند. هر کلمه در این نقل قول به تنهایی یک پیشرفت محسوب می‌شود. با افزودن اکسیژن به مخلوط در سطوح بالاتر از روش‌های قدیمی، رسوبات کربن غیرالماسی حکاکی شده و از دوده که به جای کمک به رسانایی، مضر است، جلوگیری می‌شود. این دمای 400 درجه سانتی‌گراد در محدوده قابل تحمل برای دستگاه‌های CMOS است، در حالی که هنوز به اندازه کافی داغ است تا الماس تولید کند نه دوده بیشتر. کریستال‌های بزرگ نیز بخش مهمی از این روش هستند، زیرا تولید کریستال‌های بزرگتر، رسانایی بالاتری را نسبت به لایه‌ای از بسیاری کریستال‌های کوتاه که در کنار هم قرار گرفته‌اند و گرما را به طور موثر پخش نمی‌کنند، تضمین می‌کند.

الماس سال‌هاست که به دلیل رسانایی حرارتی فوق‌العاده بالای خود، به عنوان جزئی در تراشه‌های آینده در نظر گرفته شده است، به طوری که الماس تک‌کریستالی شش برابر رساناتر از مس است. و تهیه و ساخت ترانزیستورهای الماسی، هرچند جذاب، به دلیل کمبود عرضه در این فرم فاکتور، غیرممکن خواهد بود.

بنابراین، الماس به جای آن، به یک جزء جدید در بالای ترانزیستورهای گالیوم نیترید تبدیل شده است که مستقیماً روی نیمه‌هادی‌ها رشد می‌کند و یک لایه میانی کاربید سیلیکون را تشکیل می‌دهد تا به سطوح انقلابی از اتلاف حرارت مستقیماً روی ترانزیستور دست یابد. هیت‌سینک‌های استاندارد روی نیمه‌هادی‌ها هرگز نمی‌توانند به داخل تراشه نفوذ کنند تا گرما را از نقاط داغ دور کنند، به خصوص با پیشرفت و گسترش معماری‌های تراشه سه‌بعدی. اما یک لایه الماس که ترانزیستور سه‌بعدی را احاطه کرده است، ظاهراً می‌تواند این کار را به خوبی انجام دهد.

تیم دانشگاه استنفورد در حال پیشبرد ادغام صنعتی لایه رسانایی الماس است. به نظر می‌رسد برنامه دارپا (DARPA) پنتاگون محققان را در پروژه موجود ترانزیستور الماس GaN خود گنجانده است، با نتایج مورد انتظار در سال 2027. فراتر از قراردادهای دفاعی، استنفورد همچنین انتظار دارد از ارتباطات صنعتی خود با TSMC، مایکرون و سامسونگ برای توسعه بیشتر این فناوری به نفع تجاری استفاده کند.

تولید تراشه قطعاً نیاز به اقدامات بزرگی مانند این خواهد داشت تا در دوران 1 نانومتر و کوچکتر زنده بماند، زیرا محدودیت‌های اساسی رسانایی و گرما به طور تصاعدی قبل از رسیدن به گذار فراتر از محاسبات سیلیکونی افزایش می‌یابند. زمان نشان خواهد داد که آیا چاپ الماس روی نیمه‌هادی‌ها می‌تواند قبل از پایان عصر سیلیکون به یک راه‌حل موقت تبدیل شود، یا حتی راه را برای زیرلایه‌های آینده هموار کند.