Geavanceerd Warmtebeheermateriaal Verbetert Computerkoeling en Prestaties

Computerprocessors zijn de afgelopen jaren geschrump tot nanometerschalen, met miljarden transistors op een enkele computerchip. Hoewel het verhoogde aantal transistors computers sneller en krachtiger maakt, genereert het ook meer hitteplekken in een hoog gecondenseerde ruimte. Zonder een efficiënte manier om warmte af te voeren tijdens de werking, vertragen computerprocessors en resulteren in onbetrouwbare en inefficiënte computing. Bovendien vereist de sterk geconcentreerde warmte en stijgende temperaturen op computerchips extra energie om te voorkomen dat processors oververhit raken.

Defectvrij boorarsenide als ultieme warmtespreider

Een ultramodern warmtebeheermateriaal — defectvrij boorarsenide — is ontwikkeld dat effectiever is in het aftrekken en afvoeren van warmte dan andere bekende metaal- of halfgeleidermaterialen zoals diamant en siliciumcarbide. De onderzoekers integreerden het materiaal in computerchips met state-of-the-art, wide-band-gap transistors van galliumnitride genaamd high-electron-mobility transistors (HEMTs).

Bij het draaien van de processoren bij near-maximale capaciteit, toonden chips die boorarsenide als warmtespreider gebruikten een maximale temperatuurstijg van kamertemperatuur tot bijna 188 °F (87 °C). Dit is aanzienlijk lager dan chips die diamant gebruiken om warmte te spreiden, met temperaturen die stijgen tot ongeveer 278 °F (137 °C), of degenen met siliciumcarbide die een warmtestijging tonen van ongeveer 332 °F (167 °C).

Deze resultaten tonen duidelijk aan dat boorarsenide-apparaten veel hogere operatievermogen kunnen aan dan processoren die traditionele warmtebeheermaterialen gebruiken. Boorarsenide is ideaal voor warmtebeheer omdat het niet alleen uitstekende warmteleidbaarheid vertoont, maar ook lage warmtetransportweerstand. Als warmte een grens overschrijdt van het ene materiaal naar het andere, is er meestal enige vertraging om in het volgende materiaal te komen. Het boorarsenide materiaal heeft zeer lage thermische grensweerstand.

Boorfosfaat als alternatief

Het team heeft ook boorfosfaat ontwikkeld als een andere uitstekende kandidaat voor warmtespreiding. Tijdens hun experimenten illustreerden de onderzoekers eerst de manier om een halfgeleiderstructuur te bouwen met boorarsenide en integreerden ze het materiaal vervolgens in een HEMT-chip ontwerp.