Los nanocables de silicio-28 ultrafinos en los procesadores podrían cambiar las reglas del juego

Los científicos han descubierto y demostrado un nuevo material, destinado a su uso en procesadores avanzados, que puede conducir el calor un 150 % más eficientemente, según un artículo publicado por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. La acumulación de calor en los procesadores es un gran problema para el rendimiento y el silicio actúa como un aislante térmico natural, inhibiendo el enfriamiento. Con la aplicación de la nueva tecnología de nanocables de silicio ultrafinos, se espera que los chips puedan volverse más pequeños, más rápidos y más fríos con un cambio relativamente simple. El cambio clave que se ha probado es el uso de silicio-28 (Si-28) purificado isotópicamente.

El silicio es barato y abundante, pero es un mal conductor del calor, y eso es un problema en los diminutos microchips con decenas de miles de millones de transistores sincronizados a velocidades de GHz. El silicio natural se compone de tres isótopos: silicio-28, silicio-29 y silicio-30. El silicio-28 es el más abundante de forma natural y constituye aproximadamente el 92 % del silicio natural. Además, se sabe desde hace tiempo que el Si-28 es el mejor conductor de calor. Si se purifica, el Si-28 puede conducir el calor un 10 % mejor que el silicio natural. Sin embargo, hasta ahora se ha considerado que el beneficio realmente no vale la pena.

A veces vale la pena revisar y reevaluar las tecnologías a medida que surgen tecnologías complementarias, y ese parece ser el caso aquí. En resumen, los científicos decidieron usar Si-28 purificado para crear nanocables ultrafinos.

Nanocables Si-28

Los científicos Junqiao Wu y Joel Ager. Imagen de microscopía óptica de un microdispositivo que consta de dos almohadillas suspendidas unidas por un nanocable de silicio. (Crédito de la imagen: Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley).

Inicialmente, los científicos confirmaron que el Si-28 era solo un 10 % mejor en conductancia térmica que el silicio natural. Pasando a cables de 1 mm de diámetro, este siguió siendo el caso. Sin embargo, cuando crearon nanocables Si-28 de 90 nm (unas mil veces más delgados que un cabello humano), la conductancia térmica fue un 150 % mejor, lo que les sorprendió mucho. Solo esperaban un 10-20% mejor de rendimiento.

Las investigaciones revelaron dos razones principales de la excelente conductividad térmica de los nanocables de Si-28. La microscopía electrónica reveló que los nanocables de Si-28 tenían un acabado vítreo más perfecto, por lo que no sufrían los inconvenientes de confusión/escape de fonones en la transmisión térmica de los nanocables de silicio natural. En segundo lugar, se ha formado una capa natural de SiO2 en estos nanocables, lo que mantiene en el camino a los fonones que transportan el calor. En resumen, dos mecanismos de bloqueo de fonones observados anteriormente se han reducido significativamente con el nuevo material.

Entonces, ¿de qué sirve un nanocable de silicio conductor de calor 150% mejor? Algunos diseños de transistores de última generación ya incorporan nanocables de silicio. El transistor de efecto de campo Gate-All-Around (GAA-FET) utiliza nanocables de silicio apilados para conducir la electricidad, pero aún sufren la acumulación de calor. Si se puede reemplazar este nuevo material, los diseñadores de procesadores pueden lograr una victoria relativamente rápida y fácil.

FET GAA

Ilustración de Samsung que muestra varias tecnologías de transistores, incluido GAA FET (Crédito de la imagen: Samsung)

En el futuro, el equipo de investigación involucrado en los nanocables Si-28 quiere hacer más para controlar, en lugar de medir, la conducción térmica en los nanocables. Al leer el artículo fuente, actualmente parece haber una grave falta de Si-28 purificado disponible para realizar más pruebas. Las muestras utilizadas en los experimentos anteriores procedían de una antigua instalación de fabricación de isótopos de la era soviética.

Si los beneficios son realmente tan buenos como se afirma, entonces uno o más fabricantes tendrían que comenzar a refinar el Si-28 nuevamente. Dada la dificultad de ampliar aún más la tecnología de procesos, incluso un aumento del 50 % en la conductancia térmica podría ser motivo suficiente para hacerlo, por no hablar de la supuesta mejora del 150 %.

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