Новая технология охлаждения чипов на основе ионов разработана в Японии

Схематическая модель, изображающая охлаждение Пельтье за счёт селективного транспорта катионов в нанопоре с круговым затвором. Автор: Макусу Цуцуи

По мере увеличения количества компонентов на компьютерных чипах для повышения производительности, тепловыделение становится всё более концентрированным. Это тепло необходимо отводить для поддержания высокой производительности чипов, но в настоящее время это достигается циркуляцией воды через миллиметровые каналы для охлаждения наноразмерных горячих точек. Такой масштабный дисбаланс снижает эффективность охлаждения, потребляя больше воды, чем необходимо, а также вызывает экологические проблемы.

Появилась новая стратегия охлаждения на основе ионов

Исследователи из Университета Осаки разработали стратегию улучшения охлаждения путём направления потока ионов через наноразмерные каналы. Эта ионотермоэлектрическая стратегия аналогична технологии Пельтье, при которой пропускание электрического тока через материал приводит к нагреву или охлаждению. Это перспективное изобретение опубликовано в журнале ACS Nano.

«Мы создали наноразмерное отверстие в полупроводниковой мембране и окружили нанопору «затвором» в виде нанопроволоки. Приложение напряжения к затвору индуцировало поток ионов через нанопору», — объясняет ведущий автор Макусу Цуцуи. «Изменение напряжения модулировало поверхностный заряд нанопоры».

Как напряжение управляет нагревом и охлаждением

Отрицательное приложенное напряжение приводило к отрицательно заряженной нанопоре, которая была проницаема только для положительно заряженных ионов (катионов). Следовательно, каждый ион увлекает за собой определённое количество тепла вместе со своим зарядом. Команда создала градиент концентрации в солёной воде вокруг нанопоры, чтобы направлять транспорт катионов в одном направлении, эффективно откачивая тепло из нанопоры. Изменение приложенного напряжения делало поверхность нанопоры положительной и проницаемой только для отрицательных ионов (анионов), переключая систему с охлаждения на нагрев.

«Мы разместили наноразмерную термопару рядом с отверстиями в материалах — нанопорами — для картирования изменений температуры, вызванных напряжением-индуцированным транспортом ионов», — говорит старший автор Томодзи Каваи. «Переключение с нагрева на охлаждение приводило к падению температуры более чем на 2 К. Мы обнаружили, что ионный теплоперенос зависел от входной мощности, а также от используемых видов ионов».

Потенциальное влияние на технологию чипов

Твёрдотельные нанопоры полностью совместимы с технологиями производства полупроводников. Таким образом, внедрение ионной стратегии охлаждения, разработанной в Университете Осаки, может увеличить возможности полупроводниковых чипов следующего поколения. Наряду с улучшением потенциальных возможностей, также надеются, что эти достижения в тепловом контроле смогут смягчить экологические проблемы.

Больше информации: Макусу Цуцуи и др., Gate-Tunable Ionothermoelectric Cooling in a Solid-State Nanopore, ACS Nano (2025). DOI: 10.1021/acsnano.5c13339

Источник: University of Osaka