سیم‌های سیلیکونی در مقیاس نانو؛ تحولی بزرگ در کاهش دمای پردازنده‌ها
طبق مقاله‌ای که آزمایشگاه ملی لارنس برکلی منتشر کرده است، دانشمندان موفق شده‌اند ماده‌ای کشف کنند که با استفاده از آن می‌توان تا ۱۵۰ درصد هدایت گرمای مؤثرتری را در پردازنده‌ها پیشرفته‌ی کامپیوتری شاهد بود. گرمای تولید‌شده‌ی پردازنده یکی از عوامل تأثیرگذار بر کاهش عملکرد آن است و خودِ سیلیکون نیز با ایفای نقش به‌عنوان عایقی طبیعی، به مانعی برای خنک‌سازی پردازنده تبدیل می‌شود. با وجود فناوری سیم‌های سیلیکونی در مقیاس نانو، امید می‌رود تا با ایجاد تغییرات کوچک، در آینده تراشه‌هایی کوچک‌تر و سریع‌تر و خنک‌تر تولید شوند.
- ASML؛ شرکت کوچک هلندی که به بزرگ‌ترین مونوپولی دنیای تراشه تبدیل شد [همراه با ویدئو]
سیلیکون ارزان است و به‌وفور یافت می‌شود؛ اما در‌زمینه انتقال گرما به‌شدت ضعیف است. برای تراشه‌هایی که در اندازه‌ای بسیار کوچک چندین‌و‌چند میلیارد ترانزیستور را جای داده‌اند که هریک مقدار مشخصی از جریان الکتریکی را از خود منتقل می‌کنند، دما مشکل بزرگی تلقی خواهد شد. سیلیکون طبیعی از سه ایزوتوپ تشکیل شده است: ۱. سیلیکون-۲۸؛ ۲. سیلیکون-۲۹؛ ۳. سیلیکون-۳۰.
سیلیکون-۲۸ به‌دلیل فراوانی زیاد نزدیک به ۹۲ درصد از سیلیکون‌های طبیعی را تشکیل می‌دهد. علاوه‌براین، سیلیکون-۲۸ یا Si-28 مدت زیادی به‌عنوان بهترین انتقال‌دهنده گرما شناخته می‌شود که اگر فرایند خالص‌سازی را طی کند، تا ۱۰ درصد عملکرد بهتری درمقایسه‌با نمونه‌ی طبیعی خواهد داشت. باوجوداین تا‌به‌امروز، دانشمندان به اهمیت استفاده از سیلیکون-۲۸ پی نبرده بودند.
گاهی فناوری‌ها ارزش بررسی و ارزیابی مجدد را دارند تا از دلِ آن‌ها یافته‌ها و موقعیت‌های مهم جدیدی کشف شود؛ اتفاقی که به‌نظر می‌رسد در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی رخ داده است. به‌طور خلاصه دانشمندان تصمیم گرفته‌اند سیم‌هایی در ابعاد نانو تولید کنند که در آن از سیلیکون-۲۸ خالص‌سازی‌شده استفاده شده است.
در ابتدا، تصور می‌شد که سیلیکون-۲۸ خالص‌سازی‌شده، تنها ۱۰ درصد درزمینهی انتقال حرارت از سیلیکون-۲۸ طبیعی بهتر عمل می‌کند. این باور تا زمان استفاده از سیم‌هایی با ضخامت ۱ میلی‌متر پابرجا بود و حتی از ابتدای متن نیز تصورمان همین بود. باوجوداین، وقتی برای آزمایش از سیم‌های ۹۰ نانومتری ساخته‌شده از سیلیکون-۲۸ (هزار برابر نازک‌تر از موی انسان) استفاده شد، دانشمندان افزایش عملکردی ۱۵۰ درصدی را مشاهده کردند! این اتفاق باعث تعجب دانشمندان شد؛ چراکه آنان تنها بهبودی ۱۰ تا ۲۰ درصدی را انتظار داشتند.
در تحقیقات بعدی، دو اصل اساسی برای چنین واکنشی ازجانب سیم‌های سیلیکون-۲۸ در ابعاد نانو مطرح شد: ۱. سطح براق سیم‌ها سبب می‌شود تا مشکلات پریشانی و فرار فونون‌های موجود در سیم‌های سیلیکون طبیعی در سیم سیلیکون-۲۸ وجود نداشته باشد؛ ۲. لایه‌ای طبیعی از SiO2 روی سطح سیم‌های سیلیکون-۲۸ است که سبب می‌شود فونون‌ها برای انتقال دما هدفمند شوند. به‌زبان ساده‌تر، دو مانع اصلی برای انتقال گرمای پردازنده به‌وسیله فونون‌ها با تغییر ماده‌ی تشکیل‌دهنده از میان برداشته شدند.
برتری ۱۵۰ درصدی سیم‌های سیلیکونی درزمینهی انتقال گرما چه استفاده‌ای در صنعت پردازنده‌ها خواهد داشت؟ درحالحاضر، شرکت‌هایی مانند سامسونگ مشغول کار روی طرح‌هایی هستند که در آن از سیم‌های سیلیکونی در ابعاد نانومتر استفاده می‌شود. در معماری Gate-All-Around Field Effect Transistor (به‌اختصار GAA-FET) سیم‌های سیلیکونی به‌صورت انباشته روی‌هم قرار می‌گیرند تا عمل انتقال الکتریکی را انجام دهند؛ اما همچنان فاکتور گرما مشکلاتی را در پیاده‌سازی این معماری ایجاد می‌کند. از‌این‌رو، اگر استفاده از سیلیکون-۲۸ برای ساخت سیم‌های نانو رایج شود، یکی از مشکلات بزرگ طراحان از سر راه آن‌ها برداشته خواهد شد.
- با پایان یافتن عمر سیلیکون، گام بعدی برای تراشه‌ها چه خواهد بود؟
- TSMC احتمالاً فرایند تحقیق و توسعه لیتوگرافی 1.4 نانومتری را از ماه آینده آغاز می‌کند
به‌نظر می‌رسد تیمی که در حال تحقیق روی سیم‌های Si-28 است، بیشتر به کنترل انتقال حرارت در این سیم‌ها علاقه دارد تا اندازه‌گیری آن‌ها. همچنین، در مقاله منبع آمده است که درحالحاضر سیلیکون-۲۸ خالص‌سازی‌شده برای بررسی‌های بیشتر وجود ندارد و آن‌ها نمونه‌های استفاده‌شده در این آزمایش را نیز از کارخانه تولید ایزوتوپی به‌دست آورده‌اند که در زمان شوروی در حال فعالیت بود!
اگر مزایای استفاده از سیلیکون-۲۸ به همان خوبی باشد که در گزارش‌ها آمده است، تولیدکنندگان پالایش Si-28 را باید مجدداً از سر بگیرند. باتوجه‌‌به سختی موجود برای کاهش مقیاس تکنولوژی پردازنده‌ها، حتی بهبودی ۵۰ درصدی نیز دلیلی کافی برای استفاده از سیلیکون جدید خواهد بود.
