Учени разработиха ултраминиатюрни температурни сензори, които могат да бъдат вградени директно в компютърните чипове. Устройствата са с размер едва един квадратен микрометър и отчитат температурни промени за около 100 наносекунди.
Съвременните полупроводникови чипове съдържат милиарди транзистори. Всеки от тях може да се нагрее силно при натоварване, а локалното прегряване често води до рязък спад в производителността.
За да се справят с този проблем, изследователи от Държавния университет в Пенилвания създават микроскопичен „термометър“, по-малък от антена на мравка, който може да бъде интегриран директно върху силициевия кристал.
Подобна технология, описана в научното списание Nature Sensors, може значително да подобри контрола на нагряването в съвременните процесори – един от ключовите фактори за тяхната производителност и надеждност.
Сензорът е изграден от нов клас материали – т.нар. двумерни (2D) структури, дебели само няколко атомни слоя. Благодарение на тях устройството може да отчита минимални температурни изменения за около 100 наносекунди. Това е милиони пъти по-бързо от едно мигване.
Според Саптарши Дас, професор по инженерни науки в университета и водещ автор на изследването, точното измерване на температурата в транзисторите е едно от най-трудните предизвикателства при проектирането на съвременни процесори и високопроизводителни интегрални схеми.
Чиповете се нагряват много бързо по време на работа, но температурните датчици обикновено не се намират в самия кристал. Това забавя реакцията на системите за охлаждане и ограничава прецизността на измерването.
Основната пречка е размерът. Класическите температурни сензори са твърде големи, за да бъдат разположени директно върху чипа. Екипът решава проблема чрез използването на нов тип двумерен материал – биметални тиофосфати.
Досега тези съединения не са прилагани в температурни сензори. Те обаче имат интересна характеристика: йоните в структурата им могат да се движат ефективно дори при наличие на електрически ток.
Именно тази особеност прави материала силно чувствителен към температурни промени, дори когато е сведен до микроскопични размери.
В резултат, учените създават сензори с площ около един квадратен микрометър – няколко хиляди пъти по-малка от ширината на човешки косъм. Това позволява на един процесор да бъде оборудван с голям брой подобни „термометри“.
Според докторанта Дипанян Сен, участвал в проучването, материалът има още едно важно свойство. Той позволява т.нар. „свързване“ между транспорта на йони и електрони – два различни механизма за пренос на енергия в твърдото тяло.
Електронният поток е в основата на работата на всяко електронно устройство. Йоните обаче реагират изключително чувствително на температура. Комбинирането на двата ефекта позволява сензорите да използват същите електрически токове, които захранват чипа, без да изискват допълнителна електроника или сигнални преобразуватели.
Именно тук се крие и инженерният парадокс. Поведението на йоните обикновено се счита за нежелано в транзисторите, защото може да влияе върху тяхната стабилност. В случая обаче изследователите превръщат този ефект в предимство и го използват за температурно измерване.
Сензорите са произведени в лабораторията за нанофабрикация към Института за изследване на материалите на университета. С помощта на прецизни инструменти учените успяват да интегрират хиляди устройства върху един-единствен чип.
Новият дизайн е повече от 100 пъти по-малък от водещите съвременни решения. Освен това консумира до 80 пъти по-малко енергия в сравнение с традиционните силициеви температурни сензори, тъй като не изисква допълнителни схеми за обработка на сигнала.
По думите на Дас, технологията може да бъде внедрена заедно със съществуващите архитектури на процесори. Целта е по-прецизно управление на топлината и по-стабилна работа на бъдещите изчислителни системи.
Екипът планира да продължи работата си с двумерни материали и да търси нови приложения за тях в компактни сензори. Подобни устройства биха могли в бъдеще да измерват не само температура, но и химични, оптични или други физични параметри директно върху самия чип.
