Les scientifiques ont découvert et démontré un nouveau matériau, destiné à être utilisé dans les processeurs avancés, qui peut conduire la chaleur 150 % plus efficacement, selon un article publié par Lawrence Berkeley National Laboratory. L’accumulation de chaleur dans les processeurs est un gros problème pour les performances, et le silicium agit comme un isolant thermique naturel, inhibant le refroidissement. Avec l’application de la nouvelle technologie de nanofils de silicium ultrafins, on espère que les puces pourront devenir plus petites, plus rapides et plus froides à partir d’un changement relativement simple. Le changement clé qui a été testé est l’utilisation de silicium-28 isotopiquement purifié (Si-28).
Le silicium est bon marché et abondant, mais un mauvais conducteur de chaleur, et c’est un problème dans les micropuces minuscules avec des dizaines de milliards de transistors cadencés à des vitesses GHz. Le silicium naturel est composé de trois isotopes : silicium-28, silicium-29 et silicium-30. Le silicium-28 est le plus abondant naturellement, représentant environ 92 % du silicium naturel. De plus, on sait depuis longtemps que le Si-28 est le meilleur conducteur de chaleur. S’il est purifié, le Si-28 peut conduire la chaleur environ 10 % mieux que le silicium naturel. Cependant, l’avantage a été jugé comme ne valant pas vraiment la peine, jusqu’à présent.
Parfois, les technologies méritent d’être réexaminées et réévaluées à mesure que des technologies complémentaires émergent, et cela semble être le cas ici. En bref, les scientifiques ont décidé d’utiliser du Si-28 purifié pour créer des nanofils ultrafins.
Initialement, les scientifiques ont confirmé que le Si-28 était à peine 10 % meilleur en termes de conductance thermique que le silicium naturel. En passant à des fils de 1 mm de diamètre, c’est resté le cas. Cependant, lorsqu’ils ont créé des nanofils Si-28 de 90 nm (environ mille fois plus fins qu’un cheveu humain), la conductance thermique était 150 % meilleure, ce qui a été une grande surprise pour eux. Ils ne s’attendaient qu’à des performances supérieures de 10 à 20 %.
Les investigations ont mis en lumière deux raisons principales de l’excellente conductivité thermique des nanofils de Si-28. La microscopie électronique a révélé que les nanofils de Si-28 avaient une finition vitreuse plus parfaite, de sorte qu’ils ne souffraient pas des inconvénients de la confusion/échappement des phonons dans la transmission thermique des nanofils de silicium naturel. Deuxièmement, une couche naturelle de SiO2 s’est formée sur ces nanofils, maintenant les phonons transportant la chaleur sur la bonne voie. En résumé, deux mécanismes de blocage des phonons précédemment observés ont été considérablement réduits grâce au nouveau matériau.
Alors, à quoi sert un nanofil de silicium 150 % meilleur conducteur de chaleur ? Certaines conceptions de transistors de pointe intègrent déjà des nanofils de silicium. Le transistor à effet de champ Gate-All-Around (GAA-FET) utilise des nanofils de silicium empilés pour conduire l’électricité, mais ils souffrent toujours d’une accumulation de chaleur. Si ce nouveau matériau peut être remplacé, les concepteurs de processeurs peuvent obtenir une victoire relativement rapide et facile.
À l’avenir, l’équipe de recherche impliquée dans les nanofils de Si-28 souhaite en faire plus pour contrôler, plutôt que pour mesurer, la conduction thermique dans les nanofils. En lisant l’article source, il semble actuellement y avoir un grave manque de Si-28 purifié disponible pour des tests supplémentaires. Les échantillons utilisés dans les expériences ci-dessus provenaient d’une ancienne usine de fabrication d’isotopes de l’ère soviétique.
Si les avantages sont vraiment aussi bons qu’on le prétend, alors il faudrait qu’un ou plusieurs fabricants recommencent à raffiner le Si-28. Compte tenu de la difficulté d’une mise à l’échelle supplémentaire de la technologie des procédés, même une augmentation de 50 % de la conductance thermique pourrait être une raison suffisante pour le faire, sans parler de l’amélioration revendiquée de 150 %.