Nangangako ang Cubic Boron Arsenide ng 10x Mas mahusay na Pag-alis ng init para sa mga Chip

Ang isang pangkat ng mga mananaliksik mula sa Massachusetts Institute of Technology (MIT), sa Unibersidad ng Houston, at iba pa ay maaaring ninakaw lamang ang isang sulyap sa hinaharap ng pag-compute. At ayon sa kanilang ulat, na inilathala sa Science, mukhang hindi gaanong nakabatay sa silikon kaysa sa maaari nating isipin. Mag-scuttle over, silikon. Naririto ang cubic boron nitride na may mas mababang temperatura, mas mahusay na conductivity ng kuryente, at pinahusay na performance na maaaring tumaas kasabay ng compute density.

Gayunpaman, tulad ng karaniwang nangyayari ang mga bagay na ito, malamang na pinag-uusapan natin ang mga dekada ng pananaliksik bago ang isang aktwal na produkto – pabayaan ang isang bagong edad ng paggawa ng semiconductor – ay maaaring dalhin sa etch. Ang kapangyarihan ng Silicon sa halos lahat ng bagay ay nag-compute – mula sa processor sa loob ng iyong calculator hanggang sa pinakamakapangyarihang supercomputer sa mundo – ay masyadong nakabaon sa mga dekada ng dalubhasang paglutas ng problema upang maalis nang ganoon kabilis. Ang parehong ay hindi totoo sa boron arsenide, na kailangan pa ring patunayan ang tagal ng operasyon nito.

Ang isyu sa silikon ay ito ay isang kompromiso. Ito ay isang nakakatawang masamang thermal conductor – na bahagi ng dahilan kung bakit umiinit nang husto ang aming mga electronics na maaaring magluto ng itlog sa isang CPU kung pipiliin namin. Ang Silicon ay mayroon lamang talagang mahusay na hawakan sa mga negatibong sisingilin na mga electron – na ang ayos na paggalaw, gaya ng maaaring natutunan mo sa paaralan, ay kung saan gawa ang electrical current. “Mga butas” – mga inversion na may positibong singil sa mga electron – hindi masyadong nag-gel sa silicon. Sa kabila ng mga hiccup na ito, ang silikon ay sagana at medyo madaling gawin.

Cubic boron arsenide (c-BAs) – gawa sa boron at arsenic – inaayos ang parehong problema ng silicon. Ito ay pantay na umaayon sa mga electron at butas, na nanguna sa MIT propesor ng mechanical engineering na si Gang Chen na tawagin itong “talagang kakaiba” sa mundo ng mga semiconductors. “Importante yun kasi siyempre sa semiconductors meron tayong parehong positive at negative charges equivalently. Kaya, kung gagawa ka ng isang aparato, gusto mong magkaroon ng isang materyal kung saan ang parehong mga electron at mga butas ay naglalakbay na may mas kaunting pagtutol,” sabi ni Chen.

Nagsasagawa rin ito ng thermal distress hanggang sa 10x na mas mahusay. Nangangahulugan ito na mas mabilis na mawala ang init mula sa ibabaw nito – mas mabilis, sa totoo lang, kaysa sa tanso, ang elementong pinili para sa iyong mga solusyon sa paglamig ng aftermarket. Bagama’t ang silicon ay may tipikal na 148 W/mK thermal conductivity, pinapabuti iyon ng tanso sa pamamagitan ng isang factor na tatlo, sa 401 W/mK. Ang cubic boron arsenide ng mga mananaliksik, sa kabilang banda, ay maaaring mag-alis ng init sa paligid ng 1200 W/mK mark. Ito ay tulad ng paghahambing ng Little League laban sa kanyang mas malaki, mas masama, mas mapagkumpitensyang kapatid na MLB.

“Ito ay kahanga-hanga, dahil wala talaga akong alam na iba pang materyal, maliban sa graphene, na mayroong lahat ng mga katangiang ito,” dagdag ni Chen. “At ito ay isang bulk material na may ganitong mga katangian.”

Ang iba’t ibang mga elemento ay may iba’t ibang mga katangian, at ang tagumpay ng silikon laban sa iba pang mga semiconductors ay nagmumula sa hindi maliit na bahagi mula sa kasaganaan nito. (Kredito ng larawan: Material Properties.org)

“Ang init ay isa na ngayong pangunahing bottleneck para sa maraming electronics,” sabi ng postdoc ng MIT na si Jungwoo Shin Shin, ang nangungunang may-akda ng papel. “Pinapalitan ng Silicon carbide ang silicon para sa power electronics sa mga pangunahing industriya ng EV kabilang ang Tesla, dahil mayroon itong tatlong beses na mas mataas na thermal conductivity kaysa sa silicon sa kabila ng mas mababang mga electrical mobility nito. Isipin kung ano ang maaaring makamit ng boron arsenides, na may 10 beses na mas mataas na thermal conductivity at mas mataas na kadaliang kumilos kaysa sa silikon. Maaari itong maging gamechanger.”

Sa lahat ng kasalukuyang account, ang boron arsenide ay ang perpektong semiconductor. Ang isyu sa boron arsenide ay na ito ay lubhang mas mahirap gawin kaysa sa silikon. Sa ngayon, tanging lab-scale production run ng compound ang nagawa. Ang mga batch ay hindi pare-pareho, alinman – lalo pang nagpapaputik sa tubig para sa isang pag-aampon sa wakas bilang isang mass-transformable na semiconductor. Ang mga mananaliksik ay kasalukuyang hindi sigurado kung maaari itong gamitin sa isang praktikal at matipid na anyo. Malamang, hindi ito magiging kasing dami ng silikon sa mundo ng computing. Gayunpaman, maaari itong gamitin para sa mga kritikal, partikular na mga bahagi na gumagawa ng init o kahit bilang isang daluyan ng paglipat ng init na naka-embed sa mga disenyo ng silikon.

“Ang silicon ay ang workhorse ng buong industriya,” sabi ni Chen. “Kaya, OK, mayroon kaming isang materyal na mas mahusay, ngunit ito ba ay talagang ma-offset ang industriya? Hindi namin alam.”

Kaya marahil ang silikon ay hindi kailangang magpawis anumang oras sa lalong madaling panahon (bagama’t, bilang isang mahinang konduktor, malamang na gagawin pa rin ito). Ngunit kahit na ang power efficiency at compute density ay tumama sa mga bottleneck ng mga materyales – lalo na sa pagpasok natin sa Angstrom era ng computing – marahil ay kailangan itong mag-alala tungkol sa pagbabahagi ng yugto ng mundo.