Jeszcze kilka lat temu wydawało się, że krzem już się kończy — oczywiście nie w sensie, że go zaraz zabraknie. Patrząc na skład skorupy Ziemskiej, jest to drugi najczęściej występujący pierwiastek. Chodziło o jego możliwości w elektronice, które miały ustąpić miejsca grafenowi. Dzięki nowemu odkryciu naukowców wiemy, że to nie prawda. Nanodruty krzemu otwierają przed tym pierwiastkiem oraz rozwojem nowoczesnych urządzeń elektronicznych zupełnie nowe ścieżki rozwoju.
Nanodruty krzemu
Żeby kompleksowo wytłumaczyć, temat należy go rozbić na kilka elementów. Zacznijmy od tego, co najważniejsze z użytkowego punktu widzenia, czyli od właściwości nanodrutów krzemu-28 — bo to właśnie ten izotop jest tu kluczowy. Otóż jak wynika z artykułu opublikowanego przez Lawrence Berkeley National Laboratory, materiał ten może przewodzić ciepło o 150% skuteczniej, niż klasyczne krzemowe płytki i… to w zasadzie tyle, a raczej aż tyle.
Bo widzicie, z krzemem jest ten problem, że marnie sobie on radzi z przewodzeniem ciepła. Właściwie to jest z niego… wystarczający izolator cieplny. Dlatego wiele zwierząt na pustyni w ciągu dnia siedzi pod piaskiem, który to przecież głównie składa się z krzemu. O ile dla nich to gigantyczna zaleta, tak z punktu widzenia procesora, którego najważniejszym elementem jest krzemowy i mocno się nagrzewający rdzeń już niekoniecznie.
Zobacz też: Nanorurki węglowe zastąpią krzem? Prace już trwają
I pewnie niektórzy z Was zadali tu sobie pytanie: skoro krzem to tak dobry izolator cieplny, to dlaczego jest gorący? No cóż, zacznijmy od tego, że to nie tyle dobry izolator, ile słaby przewodnik. Ot, nie chcielibyście krzemowych kaloryferów, ale wełny mineralnej też nikt nim nie zastąpi. A dlaczego rdzeń procesora jest gorący? Ponieważ to on się nagrzewa. Dzieje się tak z powodu oporu elektrycznego tranzystorów, które się na niego składają. W dużym skrócie: zjawisko to zamienia część energii elektrycznej w energię cieplną.
W ostatecznym rozrachunku krzemowy rdzeń procesora się nagrzewa, a my robimy wszystko by go schłodzić, co nie jest łatwe, bo chociaż miedziane i aluminiowe radiatory chętnie przyjmują ciepło, tak sam rdzeń niezbyt chętnie je oddaje. Oczywiście w dużych komputerach, zwłaszcza z porządnym chłodzeniem wodnym to nie jest aż tak duży problem, ponieważ im większa różnica temperatur, tym szybciej ciało zimniejsze odbiera energię. Problemy zaczynają się jednak już w małych laptopach, że o smartfonach, czy mniejszych urządzeniach noszonych nie wspomnę. Tu rozmiar chłodzenia nas ogranicza.
Nanodruty krzemu-28
Zanim przejdziemy dalej, to wyjaśnijmy sobie jeszcze jedną rzecz: dlaczego właśnie krzemu-28? Otóż w naturze występują trzy izotopy krzemu: krzem-30, krzem-29 i właśnie krzem-28. Ten ostatni ma dwie kluczowe cechy: jest go najwięcej, bo stanowi aż 92% całego krzemu na kuli ziemskiej, raz przy okazji jest najlepszym przewodnikiem ciepła.
Zobacz też: Koniec krzemu? Wolne żarty! Ten zostanie z nami na bardzo długo
Po oczyszczeniu, kiedy mamy do czynienia tylko z nim, przewodzi on ciepło aż o 10% lepiej, niż typowa mieszanka, która składa się z trzech różnych izotopów. Sęk w tym, że nikt nie chciał się bawić w oczyszczanie go, ponieważ koszty i złożoność procesu są wyższe, niż te 10% jest warte. Wszystko jednak zmieniają nanodruty krzemu-28, które osiągają one wynik aż o 150% lepszy, niż tradycyjna płytka krzemowa.
Nanodruty krzemu – bo rozmiar też ma znaczenie
Podczas swoich badań naukowcy doszli do dość oczywistego wniosku — rzecz jasna z punktu widzenia dotychczasowej wiedzy: otóż kiedy dwa krzemowe klocki były połączone drutami krzemu-28 o średnicy 1 mm, to przewodność cieplna była wyższa o 10%, niż w przypadku tradycyjnych krzemowych drutów o tej samej średnicy. Sęk w tym, że w elektronice 1 mm to bardzo dużo i rozmiar typowej ścieżki w procesorach to nanometry.
Zobacz też: Naukowcy stworzyli plastikowy procesor – wyniki są obiecujące
W związku z tym naukowcy postanowili zejść do tej skali i stworzyli nanodruty z krzemu-28 o średnicy 90 nm. W tym wypadku przewodnictwo cieplne było lepsze o wspomniane wyżej 150%, niż w 90 nm drucie z tradycyjnego krzemu. Warto tu podkreślić, że badacze spodziewali się poprawy, ale o jakieś 10-20 punktów procentowych, a nie aż o 140.
Dlaczego nanodruty krzemu-28 radzą sobie aż tak dobrze?
Badania ujawniły dwie główne przyczyny doskonałego przewodnictwa cieplnego nanodrutów krzemu-28. Po pierwsze ich powierzchnia jest niemal idealna. Dzięki temu nie cierpią z powodu wad związanych z dezorientacją / ucieczką fononów, które występują w naturalnych nanodrutach krzemowych. Zaraz… ucieczką czego? No cóż, w dużym skrócie fonon to kwant energii drgań sieci krystalicznej o bozonowych własnościach.
Zobacz też: Naukowcy biją rekord świata w komunikacji szyfrowanej kwantowo
Wszystko jasne, prawda? No dobrze, na potrzeby tego tekstu warto dodać, że kwant energii to najmniejsza możliwa energia. Tym samym nie jest możliwym uzyskanie mniejszej energii drgania sieci krystalicznej, niż jeden fonon. Nie ma czegoś takiego jak pół fonona, czy półtora fonona. Jest jeden fonon, dwa fonony i tak dalej, albo nie ma żadnego. A czym są bozonowe właściwości? No cóż, to oznacza, że fonon posiada całkowity spin.
Ta zabawa zdaje się nie mieć końca, bo teraz należy wyjaśnić pokrótce, czym jest spin: to cecha wewnętrzna cząstki określana jej momentem pędu, ale nie ma to nic wspólnego z tym, pędem w fizyce klasycznej. Przykładem spinu jest ładunek elektryczny. Jeśli nie rozumiecie, to się nie martwcie: to fizyka kwantowa: materiał na kilka książek, a nie kilka zdań w akapicie newsa zamieszczonego w sieci.
Zobacz też: Kwantowy komputer Google podobno właśnie stworzył kryształ czasowy
Teraz już będzie z górki: kolejną przyczyną tak dobrego przewodnictwa cieplnego jest to, że na powierzchni rzeczonych nanodrutów utworzyła się naturalna warstwa SiO2, która utrzymuje fonony transportujące ciepło na właściwym torze. W ten sposób te dwie metody utrzymywania fononów w ryzach znacznie ułatwiają transport ciepła.
nanodruty krzemu-28: co na tym zyskamy?
To chyba najważniejszy punkt: otóż rdzenie krzemowe będą mogły być mniejsze, ponieważ łatwiej oddadzą ciepło. Chłodzenia również zmaleją, a dotychczasowe staną się nagle o wiele wydajniejsze. W ten sposób do przodu posunie się zarówno miniaturyzacja, jak i zwiększenie wydajności urządzeń, gdzie zmniejszanie rozmiarów nie jest istotne. nanodruty krzemu
Zobacz też: Rynek komponentów bije kolejne rekordy – to niekoniecznie dobra wiadomość
Kiedy to nastąpi? No cóż… wtedy, kiedy i tak już mocno przeciążone fabryki wafli krzemowych zmodernizują swoje linie produkcyjne tak, aby w znacznie powolniejszym procesie produkować wafle krzemu-28. Czyli dopiero jak wygrzebiemy się z kryzysu elektroniki, to będzie można zacząć w ogóle myśleć o poważnym rozpoczęciu prac nad tym rozwiązaniem. Co więcej, konieczne będzie również upewnienie się, że ta zasada utrzymuje się dla nanodrutów krzemu-28 o średnicy nie 90, a zaledwie kilku nanometrów.
Źródło: Tomshardware, newscenter.lbl.gov