解锁下一代芯片效率：研究人员证实了对微小电路的热见解

为了向更强大、更高效的计算机芯片迈进，弗吉尼亚大学的研究人员证实了一个控制薄金属薄膜中热流的关键原理，这是设计更快、更小、更高效设备竞赛中的关键组成部分

这项发表在《自然通讯》上的研究在理解导热性如何在下一代芯片中使用的金属中起作用方面取得了突破，为曾经被认为无法实现的技术进步提供了可能性

首席研究员、机械与航空航天工程博士生拉菲克·伊斯拉姆博士说：“随着设备的不断缩小，管理热量的重要性变得至关重要。”。“以高端游戏机或人工智能驱动的数据中心为例，在这些地方，持续的高功率处理往往会导致热瓶颈。我们的研究结果提供了一个蓝图，通过改进热量在铜等超薄金属中的流动方式来缓解这些问题。”

纳米级的热量

铜因其出色的导电性能而被广泛使用，随着设备缩小到纳米尺寸，它面临着重大挑战。在如此小的规模下，即使是最好的材料也会因热量增加而性能下降，这种现象在铜中会放大，导致电导率和效率降低

为了解决这个问题，UVA团队专注于热科学的一个关键要素，即Matthiessen定律，他们在超薄铜薄膜中验证了这一点。该规则传统上有助于预测不同的散射过程如何影响电子流，但直到现在，它在纳米级材料中从未得到彻底证实

使用一种称为稳态热反射（SSTR）的新方法，研究小组测量了铜的热导率，并将其与电阻率数据进行了交叉检验。这种直接比较表明，当应用特定参数时，Matthiessen规则可以可靠地描述热量在纳米级厚度下通过铜膜的方式

更冷、更快、更小的芯片

为什么这很重要？在超大规模集成电路（VLSI）技术领域，电路被封装在极其紧凑的空间中，有效的热管理直接转化为性能的提高。这项研究不仅指出了我们的设备运行温度更低的未来，还承诺减少热量损失，这是可持续技术的一个紧迫问题

通过确认Matthiessen的规则即使在纳米尺度上也成立，该团队为改进先进计算机芯片中互连电路的材料铺平了道路，为制造商可以依赖的材料行为设定了标准。

“把它看作一个路线图，”Isam的顾问、Whitney Stone工程教授Patrick E.Hopkins说。“随着这一规则的验证，芯片设计师现在有了一个值得信赖的指南来预测和控制热量在微小铜膜中的行为。这是制造满足未来技术能源和性能要求的芯片的游戏规则改变者。”

这项研究的成功代表了一次合作。UVA、英特尔和半导体研究公司之间的合作，突显了学术与产业合作的优势。这些发现有望在下一代CMOS技术的发展中得到重大应用，CMOS技术是现代电子技术的支柱。CMOS或互补金属氧化物半导体是构建集成电路的标准技术，这些集成电路可以运行从计算机和手机到汽车和医疗设备的所有设备

通过将实验见解与先进建模相结合，UVA研究人员为材料打开了一扇大门，这些材料不仅可以驱动更高效的设备，还可以在整个行业中实现有影响力的节能。在一个各个温度控制程度都很重要的领域，这些见解标志着电子行业向前迈出了重要的一步，使未来更凉爽、更快、更可持续的设备比以往任何时候都更容易实现 More information: Md. Rafiqul Islam et al, Evaluating size effects on the thermal conductivity and electron-phonon scattering rates of copper thin films for experimental validation of Matthiessen's rule, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-53441-9

Journal information: Nature Communications