Новый термометр на основе двумерных материалов позволит быстро измерять температуру внутри процессора

Новости МирТесен

Ученые из Университета штата Пенсильвания в США достигли значительного прогресса в технологии охлаждения микроэлектроники. Они создали микроскопический термометр, основанный на двумерных материалах, который можно непосредственно интегрировать в компьютерные чипы.

Ключевой особенностью новой разработки является её чрезвычайно малый размер – «микроскопический термометр» меньше усика муравья, благодаря чему он может измерять температуру непосредственно на поверхности чипа. Эти миниатюрные приборы способны фиксировать изменение температуры всего за 100 наносекунд, что во много раз быстрее человеческого моргания. По словам Саптарши Даса, профессора инженерных наук и механики из Пенсильванского университета, современные микросхемы склонны к быстрому нагреву в процессе работы, однако датчики для контроля температуры обычно располагаются вне чипа. Важной задачей для исследователей было создание возможности интегрировать датчики температуры непосредственно в чипы, чтобы обеспечить более оперативную и точную информацию.

Современные процессоры подвержены внутреннему нагреву, поскольку миллиарды транзисторов потребляют энергию, что сказывается на их работе, а внешние датчики не способны обеспечить точную оценку этого процесса. Новая разработка устраняет проблему неточных измерений, предлагая применение микроскопических термометров для мониторинга температуры изнутри. Эти сенсоры созданы на основе двумерных биметаллических тиофосфатов, обладающих толщиной всего в несколько атомов. Благодаря уникальным характеристикам этих материалов, в которых ионы перемещаются свободно даже при наличии электрического тока, исследователям удалось уменьшить размеры термометров до одного квадратного микрометра – это в тысячи раз меньше диаметра человеческого волоса. Данные свойства обеспечивают высокую чувствительность датчиков к колебаниям температуры, несмотря на их микроскопические размеры. Дас отмечает, что применение данного класса материалов позволило разработать быстрые, энергоэффективные и миниатюрные тепловые сенсоры, которые можно располагать в большом количестве на одном кристалле.

Изобретение позволяет разрешить давнюю проблему, связанную с восприятием движения ионов. Ранее разработчики микросхем рассматривали перемещающиеся ионы как нежелательный фактор, поскольку они препятствуют стабильному потоку электронов. Тем не менее, специалисты из штата Пенсильвания пришли к выводу, что, несмотря на то, что ионы негативно влияют на обработку данных, они обладают высокой эффективностью при измерении температуры. Объединив чувствительные к температуре ионы с электронами, исследователи разработали датчик, размеры которого в 100 раз меньше, чем у аналогичных устройств, представленных на рынке. В ходе тестирований, проведенных в Лаборатории нанопроизводства Института материаловедения, тысячи таких датчиков были изготовлены и интегрированы на один компьютерный чип. Благодаря оптимизированной конструкции, система оказалась в 80 раз более энергоэффективной по сравнению с современными кремниевыми аналогами, поскольку не требует дополнительных схем и громоздких преобразователей сигналов.

Дас утверждает, что это – подтверждение эффективности предложенной конструкции: она позволяет уменьшить размеры, снизить энергопотребление и открывает возможности для интеграции термоконтроля непосредственно в микросхемы. Помимо повышения надёжности современных вычислительных машин, Дас рассматривает эти датчики как модель для разработки нового поколения ультракомпактных технологий. В перспективе подобные миниатюрные сенсоры смогут контролировать химические, оптические и физические характеристики в рамках комплексной, объединённой системы.

Результаты исследования были в журнале Nature Sensors.