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Graphen hilft Kupferdrähten, kühl zu bleiben
Wenn Leute in der Chipindustrie über die thermischen Probleme in Computerprozessoren sprechen, werden sie dramatisch. 2001 stellte Pat Gelsinger, der damalige Vizepräsident von Intel, fest, dass, wenn die von den neuesten Chips erzeugten Temperaturen auf ihrem aktuellen Weg weiter ansteigen würden, sie bis 2005 die Wärme eines Kernreaktors und bis 2015 die Sonnenoberfläche übersteigen würden. Glücklicherweise wurde eine solche thermische Katastrophe durch eine Verlangsamung der Schaltgeschwindigkeiten in Mikroprozessoren und durch die Einführung von Multicore-Chipdesigns, in denen mehrere Prozessoren parallel laufen, abgewendet.
Abkühlen: Eine Nahaufnahme zeigt Kupfer vor der Zugabe von Graphen (oben) und danach (unten).
Jetzt hat die Halbleiterindustrie ein weiteres thermisches Problem zu lösen. Wenn Chipkomponenten schrumpfen, muss auch die sie verbindende Kupferverdrahtung schrumpfen. Und wenn diese Drähte dünner werden, erhitzen sie sich enorm.
Eine mögliche Lösung für dieses Interconnect-Fieber wurde in Form von Graphen gefunden, einem exotischen Material aus einatomigen dicken Kohlenstoffschichten, das sowohl Elektronen als auch Wärme hervorragend leitet.
Materialwissenschaftler verwenden Kupfer bereits als Katalysator, um Graphen für andere Zwecke zu züchten. So Alexander Balandin der University of California, Riverside, und Kostya Novoselov , Physiker an der University of Manchester, Großbritannien, der den 2010 Nobelpreis für Physik für seine grundlegende Arbeit mit Graphen (siehe Graphen gewinnt Nobelpreis) beschloss, das Graphen auf dem Kupfer zu belassen, um zu sehen, wie es die thermischen Eigenschaften des Metalls beeinflusst. In einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Nano-Buchstaben , berichten sie, dass ein Sandwich aus Graphen auf beiden Seiten einer Kupferplatte die Wärmeableitung des Kupfers um 25 Prozent verbessert – eine bedeutende Zahl für Chipdesigner.
Balandin sagt, dass das Graphen selbst die Wärme nicht ableitet. Vielmehr verändert es die Struktur des Kupfers und verbessert die leitfähigen Eigenschaften des Metalls. Die Wärmebewegung durch Kupfer wird normalerweise durch die kristalline Struktur des Metalls verlangsamt. Graphen verändert diese Struktur, wodurch sich diese Wände weiter auseinander bewegen und Wärme leichter fließen kann, sagt Balandin.
Studien wurden mit relativ dicken Kupferblechen durchgeführt – viel größer als die Kupferdrähte in Computerchips –, aber Balandin erwartet, dass sich der wärmeleitende Effekt auch bei dünneren Kupferdrähten zeigt. Jetzt arbeitet er an Kupfer-Graphen-Drähten, die so klein sind, wie sie in kommerziellen Computerchips verwendet werden.
Das Problem ist dringend. In diesem Jahr wird Intel voraussichtlich Produkte mit 14-Nanometer-Transistoren mit Kupferverbindungen in dieser Größenordnung oder sogar noch kleiner ankündigen. Kupferdrähte funktionieren nicht unter 10 Nanometern, und es ist nicht klar, was. Wir haben noch kein Verbindungsmaterial gefunden, das über 10 Nanometer hinaus funktionieren kann, teilweise aufgrund von Überhitzung, sagt Saroj Nayak , Physiker am Center for Integrated Electronics des Rensselaer Polytechnic Institute in Troy, New York.
Majeed Foad, Elektroingenieur bei Angewandte Materialien , ein Halbleiterausrüstungshersteller mit Hauptsitz in Santa Clara, Kalifornien, der das Unternehmen bei der Erforschung neuer Materialien unterstützt, sagt, dass die Eigenschaften von Graphen aufregend sind, fügt jedoch hinzu, dass Chipkomponenten mit der Miniaturisierung empfindlicher gegenüber hohen Temperaturen werden. Es braucht viel Hitze, um Graphen von guter Qualität herzustellen – Balandin und Novoselov erhitzten ihre Drähte auf über 1.000 °C. Laut Foad würden solche Temperaturen Transistoren und andere Chipkomponenten verschlechtern. Balandin weist jedoch auf Laborexperimente hin, die zeigen, dass Graphen zumindest im Forschungsumfeld bei niedrigeren Temperaturen gezüchtet werden kann.
Unabhängig davon, sagt Foad, werden die Chiphersteller es nicht eilig haben, Graphen anzunehmen. Der Materialwechsel ist sehr schmerzhaft, daher werden wir den letzten Tropfen Leistung aus dem herausholen, was wir haben, sagt er.
Es ist klar, dass es nicht mehr lange haltbar sein wird, einfach mehr Transistoren in Prozessoren zu stopfen und mehr Prozessoren in Chips zu stecken. High-End-Chips enthalten bereits etwa 50 bis 60 Kilometer Kupferkabel und mehrere Kerne.
Jonathan Candelaria , Direktor für Verbindungsforschung bei der Semiconductor Research Corporation, einem Industriekonsortium in Durham, North Carolina, sagt, dass das Hinzufügen weiterer Transistoren die Leistung nicht mehr wie früher verbessert. Die Lösung kann sich wiederum in der Annahme grundlegend anderer Architekturen erweisen. Laut Candelaria könnten neue Wege bei der Entwicklung und Verpackung von Chips helfen, das Wärmeproblem zu lösen, und dies wird der Industrie Zeit geben, Probleme mit neuen Materialien zu lösen, möglicherweise einschließlich der neuen Graphen-Kupfer-Hybride.