Werken aan het aanpakken van "hotspots" in computerchips die hun prestaties verminderen, UCLA-ingenieurs hebben een nieuw halfgeleidermateriaal ontwikkeld, defectvrij boorarsenide, dat is effectiever in het onttrekken en afvoeren van restwarmte dan enig ander bekend halfgeleider- of metaalmateriaal.

Dit zou mogelijk een revolutie teweeg kunnen brengen in thermische beheerontwerpen voor computerprocessors en andere elektronica, of voor op licht gebaseerde apparaten zoals LED's.

Het onderzoek is onlangs gepubliceerd in Wetenschap en werd geleid door Yongjie Hu, UCLA-assistent-professor mechanische en ruimtevaarttechniek.

Computerprocessors zijn blijven krimpen tot nanometer-afmetingen, waar tegenwoordig miljarden transistors op een enkele chip kunnen staan. Dit fenomeen wordt beschreven onder de wet van Moore, die voorspelt dat het aantal transistors op een chip ongeveer elke twee jaar zal verdubbelen. Elke kleinere generatie chips helpt computers sneller te maken, krachtiger en in staat om meer werk te doen. Maar meer werk doen betekent ook dat ze meer warmte genereren.

Het beheren van warmte in elektronica is steeds meer een van de grootste uitdagingen geworden bij het optimaliseren van de prestaties. Hoge hitte is om twee redenen een probleem. Eerst, naarmate transistors kleiner worden, er wordt meer warmte gegenereerd binnen dezelfde footprint. Deze hoge hitte vertraagt ​​de processorsnelheden, met name bij "hotspots" op chips waar warmte zich concentreert en temperaturen stijgen. Tweede, er wordt veel energie gebruikt om die processors koel te houden. Als CPU's in de eerste plaats niet zo heet werden, dan zouden ze sneller kunnen werken en zou er veel minder energie nodig zijn om ze koel te houden.

De UCLA-studie was het hoogtepunt van een aantal jaren onderzoek door Hu en zijn studenten, waaronder het ontwerpen en maken van de materialen, voorspellende modellering, en precisiemetingen van temperaturen.

Het defectvrije boorarsenide, die voor het eerst werd gemaakt door het UCLA-team, heeft een recordhoge thermische geleidbaarheid, meer dan drie keer sneller bij het geleiden van warmte dan momenteel gebruikte materialen, zoals siliciumcarbide en koper, zodat warmte die zich anders in hotspots zou concentreren snel wordt weggespoeld.

"Dit materiaal kan de prestaties aanzienlijk verbeteren en de energievraag in alle soorten elektronica verminderen, van kleine apparaten tot de meest geavanceerde computerdatacenterapparatuur, Hu zei. "Het heeft een uitstekend potentieel om te worden geïntegreerd in de huidige productieprocessen vanwege zijn halfgeleidereigenschappen en het aangetoonde vermogen om deze technologie op te schalen. Het zou de huidige state-of-the-art halfgeleidermaterialen voor computers kunnen vervangen en een revolutie teweegbrengen in de elektronica-industrie."

De andere auteurs van de studie zijn UCLA-afgestudeerde studenten in Hu's onderzoeksgroep:Joonsang Kang, Man Li, Huan Wu, en Huuduy Nguyen.

Naast de impact voor elektronische en fotonica-apparaten, de studie onthulde ook nieuwe fundamentele inzichten in de fysica van hoe warmte door een materiaal stroomt.

"Dit succes illustreert de kracht van het combineren van experimenten en theorie bij het ontdekken van nieuwe materialen, en ik geloof dat deze benadering de wetenschappelijke grenzen op veel gebieden zal blijven verleggen, inclusief energie, elektronica, en fotonica-toepassingen, " zei Hu.