Учёные создали атомарно тонкие 2D-термометры для встраивания прямо в процессоры

Исследователи из Университета штата Пенсильвания разработали микроскопические датчики температуры, достаточно маленькие, чтобы их можно было встраивать непосредственно в кристаллы процессорных чипов. Об этом сообщается в статье, опубликованной 6 марта в журнале Nature Sensors. Эти сенсоры, созданные из нового класса двумерных материалов, способны обнаруживать изменения температуры за 100 наносекунд — в миллионы раз быстрее, чем моргает глаз. Их размер составляет всего один квадратный микрометр, что позволяет разместить тысячи таких датчиков на одном чипе.

Современные процессоры полагаются на температурные датчики, расположенные вне самого кристалла, что ограничивает скорость и точность теплового мониторинга. Этот разрыв важен, потому что отдельные транзисторы могут нагреваться быстрее, чем успевают среагировать внешние сенсоры, что заставляет чипы применять консервативное троттлингование для целых ядер, вместо того чтобы реагировать на локальные горячие точки. Разработка учёных из Пенсильвании решает эту проблему за счёт интеграции сенсоров прямо в кремний, используя те же электрические токи, которые уже протекают через чип.

Датчики созданы из биметаллических тиофосфатов — двумерного материала, ранее не использовавшегося для теплового зондирования. Ключевое свойство материала заключается в том, что его ионы продолжают свободно двигаться даже под воздействием электрического тока. Такое поведение инженеры обычно стараются устранить в транзисторах, но команда из Пенсильвании, напротив, использовала его в своих интересах, объединив перенос ионов для детектирования температуры с переносом электронов для считывания тепловых данных. В результате получился сенсор, который, по заявлению исследователей, не требует дополнительных схем или преобразователей сигнала и потребляет до 80 раз меньше энергии, чем традиционные кремниевые термодатчики.

«То, что в транзисторах обычно нежелательно для индустрии, отлично подходит для теплового зондирования, и мы действительно постарались использовать это в нашей конструкции, — сказал Саптарши Дас, профессор инженерной науки и механики в Университете штата Пенсильвания и автор-корреспондент статьи. — Вместо того чтобы пытаться удалить эти ионы из системы, мы используем их в своих интересах». Он добавил, что объединение ионов для измерения температуры и электронов для считывания этих данных позволило команде создать чрезвычайно точное, но компактное устройство.

Дас, однако, подчеркнул, что эта работа является доказательством концепции. Хотя датчики были изготовлены и протестированы в лаборатории с использованием Нанофабрикационной лаборатории Института исследования материалов Пенсильвании, путь к коммерческой интеграции в чипы потребует от производителей валидации процесса в промышленных масштабах. Тем не менее, продемонстрированные характеристики — время отклика в 100 наносекунд, площадь в один квадратный микрометр и отсутствие необходимости в дополнительных схемах — решают некоторые из ограничений, которые до сих пор мешали внедрению теплового мониторинга непосредственно на кристалле в серийном кремнии.

ИИ: Это прорывное исследование открывает путь к созданию процессоров с интеллектуальным и сверхбыстрым управлением температурой, что критически важно для дальнейшего роста производительности и энергоэффективности вычислительных систем, особенно в эпоху ИИ и высокопроизводительных вычислений.