Международная группа учёных под руководством профессора Коити Окамото и доктора Сюнсукэ Мурая из Высшей инженерной школы Университета Осаки разработала материал, способный «программировать» направление теплового излучения. Разработка может лечь в основу новых систем охлаждения процессоров, при которых чипы будут частично управлять собственным перегревом без вентиляторов и насосов. Результаты работы опубликованы в журнале Laser & Photonics Reviews.
Проблема перегрева современных чипов
Чем плотнее размещаются транзисторы на кристалле, тем сильнее проявляется неравномерность нагрева: на одном участке кристалла температура может быть значительно выше, чем на соседнем, а в многослойных чипах отвести тепло от внутренних компонентов становится все сложнее. Традиционные системы охлаждения решают эту проблему грубо — обычные структуры отводят тепло только с поверхности процессора, и независимо от того, используется воздушный кулер, испарительная камера или жидкостное охлаждение, вся лишняя энергия сначала должна пройти через сам кристалл, затем через теплораспределительную крышку и лишь потом попасть к радиатору. Проблема усугубляется тем, что если перегревается небольшой участок, приходится увеличивать интенсивность охлаждения целого процессора, хотя остальные области могут иметь вполне нормальную температуру.
Как работает новый материал
Специалисты объединили два материала с разными функциями. Первый — арсенид индия (InAs), магнитооптический полупроводник, чье взаимодействие с инфракрасным светом изменяется в присутствии магнитного поля. Вместо равномерного излучения во всех направлениях материал вводит направленную асимметрию, позволяющую нетребовательное тепловое поведение. Второй компонент — фазопереходный материал германий-сурьма-теллур (GST), который выполняет роль энергонезависимой памяти: он работает как энергонезависимая память, способная сохранять свое состояние после отключения питания.
В результате получилась метарешётка, которую сами разработчики описывают предельно просто: «Мы заставили тепловое излучение вести себя “умнее”», — объяснил доктор Мурай, отметив, что тепло поглощается с одной стороны конструкции, нагревая её, а затем излучается с другой, охлаждая систему.
Обход закона Кирхгофа
Главная научная особенность разработки — способность обойти классическое ограничение теплового излучения, известное как закон Кирхгофа. Обычно между поглощением и излучением тепла существует жёсткая взаимосвязь: поверхность, которая хорошо поглощает тепло определенной длины волны и направления, будет излучать его таким же образом, и этот принцип взаимности не позволяет управлять поглощением и излучением по-отдельности. Комбинация магнитооптического и фазопереходного материалов позволяет разделить эти два процесса и управлять ими независимо друг от друга.
Где это может применяться
Разработчики видят потенциал технологии не только в микроэлектронике. По их словам, «направляя» тепловую энергию, можно создать более эффективные технологии управления теплом, преобразования энергии, инфракрасного зондирования и тепловой связи. Помимо вычислительной техники, исследователи также предвидят применение в радиационном охлаждении, преобразовании энергии с помощью термофотовольтаики, инфракрасных излучателях и системах сбора энергии.
Если подобную структуру удастся встроить в существующие процессоры, часть тепловой энергии можно будет перенаправлять от наиболее горячих участков к областям, где ее проще рассеять обычными средствами охлаждения. Это открывает путь к созданию тепловых аналогов флеш-памяти — структур, которые сохраняют заданный режим отвода тепла даже без постоянного питания, что особенно важно для компактных и энергоэффективных устройств.