I chip del futuro si raffreddano con i nanotubi di carbonio

I chip del futuro si raffreddano con i nanotubi di carbonio

I nanotubi di carbonio potrebbero essere utilizzati per migliorare il raffreddamento dei processori, grazie ad una nuova tecnica che promette di ridurre la resistenza termica all'interfaccia tra nanotubi e metallo

di Andrea Bai pubblicata il , alle 08:31 nel canale Scienza e tecnologia
 

Un adeguato sistema di raffreddamento è un imperativo essenziale per i moderni microprocessori: lo sanno bene i ricercatori del Dipartimento dell'Energia USA presso il Lawrence Berkeley National Laboratory, che hanno sviluppato una nuova tecnica che consente di migliorare il raffreddamento dei chip utilizzando i nanotubi di carbonio.

Frank Ogletree, fisico che opera nel ramo delle Scienze dei materiali presso i Berkeley Lab, ha condotto uno studio che mostra come molecole organiche vengano usate per formare forti legami covalenti tra i nanotubi di carbonio e le superfici metalliche. Sperimentalmente è stato possibile migliorare di sei volte il flusso di calore dal metallo verso i nanotubi di carbonio, preparando quindi il terreno alla realizzazione di soluzioni in grado di raffreddare in maniera più efficiente i processori dei PC.

Tramite tecniche ben collaudate come la deposizione di vapore o l'uso di solventi chimici è possibile realizzare quanto dettagliato da Ogletree a basse temperature, che ben si adattano alla produzione dei chip. "Abbiamo sviluppato un percorso di legami covalenti che funzionano con i metalli che formano ossidi, come l'alluminio ed il silicio, e per i metalli più nobili come l'oro e il rame. In entrambi i casi l'adesione meccanica è migliorata così da rendere i legami di superficie sufficientemente robusti per estrarre una matrice di nanotubi di carbonio dal substrato di crescita, e migliorare considerevolmente il trasporto di calore nell'interfaccia".

Il surriscaldamento è la kriptonite dei processori: quando i transistor si scaldano le loro prestazioni si possono degradare fino al punto in cui non operano più come transistor. Con l'innalzamento delle frequenze operative e la maggior densità di transistor per chip, il surriscaldamento diventa un problema ancor più ingente. La prima sfida da affrontare è quella di trasportare il calore al di fuori del chip e verso quelle strutture atte a smaltirlo, come dissipatori e ventole. I nanotubi di carbonio hanno già avuto modo di mostrare una conducibilità termica eccezionalmente elevata, ma il loro impiego per il raffreddamento dei microprocessori e di altri dispositivi è stato più volte ostacolato da un'elevata resistenza termica all'interfaccia tra i nanotubi ed il metallo.

"La conducibilità termica dei nanotubi di carbonio supera quella del diamante o di qualsiasi altro materiale naturale, ma dato che i nanotubi sono chimicamente molto stabili, le loro interazioni chimiche con la maggior parte degli altri materiali sono relativamente deboli, il che si traduce in elevate resistenze termiche all'interfaccia. Intel si è rivolta a noi per migliorare la prestazione dei nanotubi di carbonio in questo frangente. Lavorando con due ingegneri Intel siamo stati capaci di migliorare e irrobustire il contatto tra i nanotubi di carbonio e la superficie di altri materiali. Questo riduce la resistenza termica e migliora l'efficienza del trasporto di calore" ha spiegato Ogletree.

I ricercatori hanno impiegato molecole reattive per collegare i nanotubi di carbonio al metallo, l'amminopropil-trialcossi-silano per i metalli che formano ossidi e la cisteamina per i metalli nobili. Un array di nanotubi di carbonio allineati verticalmente è stato fatto crescere su un wafer di silicio e quindi un sottile strato di alluminio o di oro è stato fatto evaporare su vetrini da microscopio. Lo strato di metallo è stato "funzionalizzato" affinché potesse legarsi con la matrice di nanotubi di carbonio. Le misurazioni effettuate hanno permesso di confermare il miglioramento del flusso di calore.

"Si può considerare la resistenza dell'interfaccia come una maggior distanza che il calore deve percorrere per fluire nel materiale. Con i naotubi di carbonio la resistenza termica all'interfaccia aggiunge qualcosa come 40 micron in più su ciascun fronte dello strato di nanotubi di carbonio. Con la nostra tecnica siamo in grado di ridurre la resistenza all'interfaccia in maniera tale che la distanza aggiuntiva sia di circa sette micron su ciascun fronte" precisa Ogletree.

L'approccio usato dai ricercatori va sostanzialmente ad irrobustire il contatto tra il metallo e i singoli nanotubi di carbonio nella matrice, ma ciononostante una parte dei nanotubi continua a non riuscire a connettersi adeguatamente con il metallo. Il gruppo coordinato da Ogletree sta sviluppando un modo per migliorare la densità dei contatti tra i nanotubi e il metallo. La loro tecnica dovrebbe inoltre essere applicabile a dispositivi in grafene a strato singolo e a più strati, che mostrano i medesimi problemi di raffreddamento.

"Parte della nostra missione presso la Molecular Foundry è quella di aiutare lo sviluppo di soluzioni per problemi tecnologici che ci vengono posti dagli operatori del settore e che sollevano domande fondamentali per la scienza. Nello sviluppo di queste tecniche per la soluzione di problemi tecnologici reali, abbiamo creato strumenti che permettono di aggiungere nuove nozioni alla chimica fondamentale" ha concluso Ogletree.

3 Commenti
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calabar27 Gennaio 2014, 09:48 #1
L'articolo è molto, molto ripetitivo, ma nonostante ciò non si capisce se il risultato ottenuto sia già buono (ossia già superiore ad una soluzione senza nanotubi) o sia solo un passo avanti che apre le porte verso un utilizzo futuro di questa soluzione (in attesa di ulteriori miglioramenti dello scambio di calore tra metallo e nanotubi).
Zenida28 Gennaio 2014, 02:34 #2
Riepilogo per vedere se ho capito...

cioè se prendiamo in considerazione la CPU stiamo dicendo che i nanotubi andrebbero a sostituire la pasta termo conduttiva come mezzo di trasferimento del calore dal chip al sistema di dissipazione del calore?

oppure si intende utilizzare i nano tubi direttamente come dissipatore di calore, creando una struttura che sia raffreddabile mediante aria, liquido o quel che sia??

Perchè nel primo caso è sicuramente un miglioramento... ma poi ci si andrebbe a perdere sulla capacità degli altri elementi di assorbire il calore dai nanotubi.
Mentre nel secondo caso, se i nanotubi sono così efficienti, è possibile creare direttamente con quest'ultimi una struttura radiante che si possa refrigerare in tutti i modi che oggi conosciamo
fankilo28 Gennaio 2014, 21:45 #3
@Zenida
No in entrambe le tue ipotesi. I nanotubi li hanno fatti crescere direttamente sul silicio. Tanto per capirci la ricetta e' così: prendi una CPU..indovina di che marca? :-).....gli togli il suo case di alluminio e su quello che ti rimane, cioè silicio, gli fai crescere uno strato di nanotubi di carbonio e poi richiudi il case.

Cmq se ho interpretato bene una notizia mal spiegata, l'articolo dice questo:
Senza aggiungere nessun nano-tubo ho una resistenza termica di valore X.
Negli esperimenti condotti i precedenza (non si sa da chi) aggiungendo i nanotubi sul silicio e poi strato di metallo (per dissipare il calore)si otteneva una resistenza termica di X+40 micron (e gia' misurare la resistenza termica in micron, mi vien da piangere), quindi il risultato era peggiore rispetto alla situazione: "non aggiungiamo i nanotubi.
Quello che hanno ottenuto questi ricercatori e' stato di aggiungere i nanotubi e strato di metallo (come hanno fatto gli altri in precedenza) ma sono riusciti a ridurre la resistenza termica a X+7 micron, grazie ad un legame chimico migliorato tra Silicio-Nanotubi-Metallo.
Quindi in realta' sempre peggiore rispetto al caso "non aggiungiamo i nanotubi", ma comunque migliore rispetto agli esperimenti precedenti.

Morale, se il succo della new e' questo, ho perso tempo a leggere una notizia utile come un necrologio.

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