No ke aha e wela ai nā ʻāpana hou

I ka hoʻololi ʻana o nā transistors nanoscale i nā wikiwiki gigahertz, holo wikiwiki nā electrons ma o nā kaapuni a nalowale ka ikehu e like me ka wela—ʻo ia ka wela like āu e manaʻo ai ke mahana maikaʻi ʻole kahi kamepiula lawe lima a kelepona paha. ʻO ka hoʻopili ʻana i nā transistors hou aku ma luna o kahi chip e waiho ana i kahi liʻiliʻi e wehe ai i kēlā wela. Ma kahi o ka laha like ʻana ma o ka silicon, hōʻiliʻili ka wela i loko o nā wahi wela i hiki ke ʻoi aku ka wela ma mua o nā wahi a puni. I mea e pale aku ai i ka pōʻino a me ka nalowale o ka hana, hoʻopaʻa nā ʻōnaehana i nā CPU a me nā GPU ke piʻi ka mahana.

ʻO ka laulā o ka pilikia wela

ʻO ka mea i hoʻomaka ma ke ʻano he heihei e hoʻoliʻiliʻi ua lilo i kaua me ka wela ma nā mea uila āpau. I ka helu ʻana, hoʻomau ka hana i ka hoʻonui ʻana i ka nui o ka mana (hiki i nā kikowaena pākahi ke huki ma ke ʻano he ʻumi kilowatts). I nā kamaʻilio ʻana, koi nā kaapuni kikohoʻe a me nā analog i ka mana transistor kiʻekiʻe no nā hōʻailona ikaika a me ka ʻikepili wikiwiki. I nā mea uila mana, ua kaupalena ʻia ka pono maikaʻi e nā palena wela.

He hoʻolālā ʻokoʻa: hoʻolaha i ka wela i loko o ka ʻāpana

Ma mua o ka ʻae ʻana i ka wela e kau nui ana, he manaʻo hoʻohiki kahoʻoheheʻei loko o ka ʻāpana ponoʻī—e like me ka ninini ʻana i ke kīʻaha wai e paila ana i loko o kahi loko ʻauʻau. Inā hoʻolaha ʻia ka wela ma kahi i hana ʻia ai, e noho anuanu nā mea wela loa a ʻoi aku ka maikaʻi o ka hana ʻana o nā mea hoʻoluʻu maʻamau (nā poho wela, nā mea pā, nā loop wai). Pono kēia i kahimea hoʻokaʻawale uila, conductivity wela kiʻekiʻeua hoʻohui wale ʻia nā nanometers mai nā transistors hana me ka ʻole o ka hoʻopilikia ʻana i ko lākou mau waiwai palupalu. Kūpono kahi moho i manaʻo ʻole ʻia i kēia bila:daimana.

No ke aha he daimana?

ʻO ke daimana kekahi o nā mea hoʻokele wela maikaʻi loa i ʻike ʻia—he mau manawa kiʻekiʻe ma mua o ke keleawe—ʻoiai he mea hoʻokaʻawale uila nō hoʻi. ʻO ka hopu ʻana, ʻo ia ka hoʻohui ʻana: pono nā ʻano ulu maʻamau i nā mahana a puni a ʻoi aku paha ma 900–1000 °C, kahi e hōʻino ai i ka circuitry holomua. Hōʻike nā holomua hou i ka lahilahidaimana polycrystallinehiki ke ulu ʻia nā kiʻiʻoniʻoni (he mau micrometers wale nō ka mānoanoa) manā mahana haʻahaʻa loakūpono no nā mea hana i hoʻopau ʻia.

ʻO nā mea hoʻomaʻalili o kēia lā a me ko lākou mau palena

Ke nānā nei ka hoʻoluʻu nui i nā poho wela maikaʻi, nā mea pā, a me nā mea interface. Ke noiʻi nei nā mea noiʻi i ka hoʻoluʻu wai microfluidic, nā mea hoʻololi pae, a me ka hoʻokomo ʻana i nā kikowaena i loko o nā wai hoʻoheheʻe wela, nā wai hoʻokaʻawale uila. He mau ʻanuʻu koʻikoʻi kēia, akā hiki ke nui, pipiʻi, a i ʻole kūpono ʻole i nā mea e kū mai ana.Hoʻopili ʻia i ka 3Dnā hoʻolālā chip, kahi e hana ai nā papa silicon he nui e like me kahi "skyscraper." I loko o ia mau puʻu, pono e hoʻokahe kēlā me kēia papa i ka wela; a i ʻole e paʻa nā wahi wela i loko.

Pehea e ulu ai i ka daimana kūpono no nā hāmeʻa

Loaʻa i ka daimana kristal hoʻokahi ka conductivity thermal kupaianaha (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, ma kahi o ʻeono manawa o ke keleawe). Hiki i nā kiʻiʻoniʻoni polycrystalline i maʻalahi ke hana ke hoʻokokoke i kēia mau waiwai ke lawa ka mānoanoa—a ʻoi aku ka maikaʻi ma mua o ke keleawe ʻoiai ke lahilahi. Hoʻopili ka waiho ʻana o ka mahu kemika kuʻuna i ka methane a me ka hydrogen i ka mahana kiʻekiʻe, e hana ana i nā nanocolumns daimana kū pololei e hui pū ana i loko o kahi kiʻiʻoniʻoni; i kēlā manawa ua mānoanoa ka papa, ua kaumaha, a ua maʻalahi i ka nahā.
Pono ka ulu ʻana i ka mahana haʻahaʻa i kahi ʻano hana ʻokoʻa. ʻO ka hoʻēmi wale ʻana i ka wela e loaʻa ai ka soot conductive ma mua o ka insulating daimana. Ke hoʻolauna neiʻokikenehoʻomau mau i ke kālai ʻana i ke kalapona ʻaʻole daimana, e hiki aidaimana polycrystalline nui-palaoa ma ~400 °C, kahi mahana e kūlike me nā kaapuni hoʻohui holomua. ʻO ka mea nui hoʻi, hiki i ke kaʻina hana ke uhi ʻaʻole wale i nā ʻili ākea akānā paia ʻaoʻao, he mea nui ia no nā hāmeʻa 3D kūlohelohe.

Ke kū'ē palena wela (TBR): ka bottleneck phonon

Lawe ʻia ka wela i loko o nā mea paʻa enā phonon(nā haʻalulu lattice i hoʻohālikelike ʻia). Ma nā pilina mea, hiki i nā phonon ke hōʻike a hoʻoulu, e hana anake kū'ē palena wela (TBR)e pale ana i ke kahe wela. Ke ʻimi nei ka ʻenekinia interface e hoʻohaʻahaʻa i ka TBR, akā ua kaupalena ʻia nā koho e ka hoʻohālikelike semiconductor. Ma kekahi mau interfaces, hiki i ka intermixing ke hana i kahi lahilahisilicon carbide (SiC)papa e hoʻohālikelike maikaʻi i nā spectra phonon ma nā ʻaoʻao ʻelua, e hana ana ma ke ʻano he "alahaka" a e hōʻemi ana i ka TBR—pēlā e hoʻomaikaʻi ai i ka hoʻoili wela mai nā mea hana i loko o ka daimana.

He moena hoʻāʻo: GaN HEMTs (nā transistors alapine lekiō)

ʻO nā transistors high-electron-mobility (HEMTs) e pili ana i ke au hoʻomalu gallium nitride i loko o kahi kinoea electron 2D a ua mahalo ʻia no ka hana alapine kiʻekiʻe, mana kiʻekiʻe (me ka X-band ≈8–12 GHz a me ka W-band ≈75–110 GHz). Ma muli o ka hoʻoulu ʻia ʻana o ka wela ma kahi kokoke loa i ka ʻili, he mea hoʻāʻo maikaʻi loa lākou o kekahi papa hoʻolaha wela in-situ. Ke hoʻopuni ka daimana lahilahi i ka hāmeʻa—me nā paia ʻaoʻao—ua ʻike ʻia ka emi ʻana o nā mahana o ke kahawai.~70 °C, me nā hoʻomaikaʻi nui ʻana i ka lumi poʻo wela ma ka mana kiʻekiʻe.

Daimana ma nā puʻu CMOS a me 3D

Ma ka helu kamepiula holomua,Hoʻomoe 3Dhoʻonui i ka nui o ka hoʻohui a me ka hana akā hana i nā bottlenecks thermal kūloko kahi i emi ai ka maikaʻi o nā mea hoʻoluʻu kuʻuna, waho. ʻO ka hoʻohui ʻana i ka daimana me ka silicon hiki ke hana hou i kahi ponoʻO ka papa waena SiC, e hāʻawi ana i kahi pilina thermal kiʻekiʻe.
ʻO kekahi ʻano hana i manaʻo ʻia heʻōnaehana wela: nā pepa daimana lahilahi nanometer i hoʻokomo ʻia ma luna o nā transistors i loko o ka dielectric, i hoʻopili ʻia enā vias wela kū pololei ("nā kia wela")i hana ʻia me ke keleawe a i ʻole ke daimana hou aʻe. Hoʻoili kēia mau pou i ka wela mai kahi papa a i kahi papa a hiki i kahi mea hoʻoluʻu waho. Hōʻike nā simulations me nā ukana hana maoli e hiki i kēlā mau hale ke hōʻemi i nā mahana kiʻekiʻe ma oa hiki i kahi kauoha o ka nuima nā puʻu hōʻoia-o-ka-manaʻo.

He aha ka mea paʻakikī e mau ana

ʻO nā pilikia koʻikoʻi e pili ana i ka hana ʻana i ka ʻili luna o ke daimanapālahalaha ʻātomano ka hoʻohui maʻalahi me nā interconnects a me nā dielectrics ma luna, a me nā kaʻina hana hoʻomaʻemaʻe i mālama ai nā ʻiliʻili lahilahi i ka conductivity thermal maikaʻi loa me ka ʻole o ke kaumaha ʻana i ka circuitry ma lalo.

Nānā

Inā hoʻomau ka holomua o kēia mau ʻano hana,ka hoʻolaha wela daimana i loko o ka ʻāpanahiki ke hoʻomaha nui i nā palena wela ma CMOS, RF, a me nā mea uila mana—e ʻae ana i ka hana kiʻekiʻe, ka hilinaʻi nui aʻe, a me ka hoʻohui 3D ʻoi aku ka mānoanoa me ka ʻole o nā hoʻopaʻi wela maʻamau.