В современных компьютерных процессорах используются полупроводниковые микросхемы, состоящие из миллиардов отдельных транзисторов, каждый из которых может перегреваться под нагрузкой, что приводит к резкому снижению производительности. Для решения этой проблемы группа исследователей из Университета штата Пенсильвания разработала микроскопический термометр, размером меньше муравьиной антенны, который можно интегрировать в микросхему для точного отслеживания температуры.

Сверхбыстрое отслеживание температуры на микросхемах

Используя передовой класс материалов толщиной всего в несколько атомов, известных как двумерные (2D) материалы, команда создала датчики, способные различать незначительные изменения температуры всего за 100 наносекунд — в миллионы раз быстрее, чем моргание глаза.

Чрезвычайно компактная структура датчиков позволяет интегрировать множество из них непосредственно на один компьютерный чип, обеспечивая, по словам исследователей, невероятно эффективный мониторинг температуры. Команда подробно описала свою работу в статье, опубликованной в журнале Nature Sensors.

По словам Саптарши Даса, профессора инженерных наук имени Экли, профессора инженерных наук и механики в Университете штата Пенсильвания и ведущего автора статьи, точный мониторинг температуры транзисторов — крошечных устройств, управляющих потоком электричества в цепи, — в настоящее время является одним из наиболее сложных аспектов разработки компьютерных чипов или высокопроизводительных интегральных схем.

«Эти чипы быстро нагреваются во время использования, но датчики, отслеживающие их температуру, не встроены в чип», — сказал Дас. «Один из главных вопросов, который волновал исследователей, заключался в том, возможно ли интегрировать датчики температуры непосредственно в чипы, что позволило бы получать более быстрые и точные показания».

Для достижения этой цели датчик температуры должен быть невероятно маленьким, поскольку традиционные датчики слишком велики и громоздки, чтобы поместиться непосредственно на чипе, пояснил Дас.

Миниатюризация датчиков с использованием новых двумерных материалов.

Чтобы уменьшить размеры своих датчиков до термометров размером всего в один квадратный микрометр или плитку, в несколько тысяч раз меньшую, чем ширина человеческого волоса, команда использовала новый класс двумерных материалов — биметаллические тиофосфаты , — которые ранее не применялись в тепловых датчиках.

По словам Даса, отличительные свойства этого материала, в частности, способность ионов эффективно перемещаться даже при воздействии электрического тока, позволяют датчикам демонстрировать сильную температурную зависимость, даже при чрезвычайно малых размерах. Это означает, что физические свойства материала могут динамически изменяться по мере повышения или понижения температуры.

«Моя исследовательская группа активно работает с двумерными материалами, поскольку Университет штата Пенсильвания считается лидером в этой области исследований», — сказал Дас.

«Мы обнаружили, что, используя этот класс материалов, мы можем разработать термодатчики, которые очень быстрые, маломощные и действительно миниатюрные, так что их можно разместить множество на одном чипе».

Соединение ионов и электронов для сенсорики

По словам Дипанджана Сена, аспиранта в области инженерных наук и первого автора статьи, этот двумерный материал может «объединять» перенос как ионов, так и электронов — субатомных частиц, которые играют разные роли в передаче энергии.

Хотя улучшение потока электронов может привести к созданию более мощных устройств, более эффективное регулирование ионов в системе может улучшить управление тепловыми процессами и мониторинг, поскольку эти частицы чрезвычайно чувствительны к теплу.

Такое соединение позволяет крошечным датчикам работать, используя те же электрические токи, что и весь чип, а это значит, что они могут обеспечивать чрезвычайно точные показания температуры, не оказывая при этом заметного влияния на производительность чипа. Дас объяснил, что понимание этой взаимосвязи стало ключом к интеграции датчиков непосредственно на чип.

«То, что обычно нежелательно в промышленности для транзисторов, на самом деле отлично подходит для измерения температуры, поэтому мы действительно постарались использовать это в нашей конструкции», — сказал Дас. «Вместо того чтобы пытаться удалить эти ионы из системы, мы используем их в своих интересах. Сочетание этих ионов для измерения температуры и электронов для считывания этих тепловых данных позволяет нам получить чрезвычайно точное, но компактное устройство».

Производство тысяч датчиков на одном чипе

Команда использовала передовые приборы в лаборатории нанофабрикации Института материаловедения для изготовления датчиков и размещения тысяч из них на одном компьютерном чипе. Датчик не только более чем в 100 раз меньше, чем другие передовые конструкции датчиков, но и до 80 раз энергоэффективнее традиционных кремниевых систем, поскольку не требует дополнительной схемы или преобразователей сигналов.

Дас заявил, что, по его мнению, разработанные командой датчики можно интегрировать с существующими технологиями для повышения эффективности и стабильности работы компьютера. В дальнейшем команда планирует продолжить разработку и изучить новые возможности применения двумерных материалов в проектировании датчиков.

По словам Даса, это исследование может послужить основой для разработки будущих датчиков, способных измерять химическую, оптическую или физическую информацию в невероятно компактном формате.

«Это концептуальное подтверждение работоспособности данной конструкции — её можно миниатюризировать, она потребляет мало энергии и может стать следующим шагом в интеграции мониторинга температуры непосредственно в микросхемы», — сказал Дас.