Elmaslar çiplerin yeni en iyi dostu olabilir

Teknoloji şirketleri, en yeni yapay zeka modellerini çalıştıran sunucuların bulunduğu daha fazla veri merkezi inşa etme yarışındayken, bu tesislerin tükettiği elektrik miktarı hızla artıyor. Ancak bu elektriğin çoğu aslında hesaplama için kullanılmıyor. İsraf edilen elektrik enerjisi modern bir çipteki yüz milyarlarca transistörün her birinden yayılan ısı olarak.

Verimi de düşürüyor

San Francisco’da, elektroniklerde kullanılmak üzere özel elmaslar üreten Diamond Foundry adlı şirketin elektrik mühendisi ve girişimcisi R. Martin Roscheisen, “Çiplerdeki kirli sır, enerjinin yarısından fazlasının transistör düzeyinde sızıntı akımı olarak israf edilmesi" diyor. Bu ısı, yalnızca büyük bir enerji israfı olmakla kalmıyor, aynı zamanda çipin ömrünü önemli ölçüde kısaltıyor ve daha az verimli çalışmasına neden oluyor, bu da daha fazla israf ısısı üretiyor. Bu nedenle veri merkezlerindeki en kritik görevlerden biri, sunucuların düzgün çalışabilmesi için sıcaklıklarını düşük tutmak.

Elmas nasıl çözüm olabilir?

Roscheisen, çipleri soğutmak için her şeyden önce sentetik elmasın küçük parçalarını çiplere yerleştirmenin yollarını geliştiren birçok mühendisten biri. Elmas bilinen en sert madde olmasının yanı sıra, ısıyı bir yerden başka bir yere iletmede son derece etkili. İngiltere’deki Bristol Üniversitesi’nde fiziksel kimyacı olan Paul May, “Çoğu insan, elmasın herhangi bir malzeme içinde en iyi ısı iletim özelliklerine sahip olduğunun farkın değil" dedi. May ayrıca elmasın, çipler için kullanılan soğutucu malzeme olan bakırdan birkaç kat daha hızlı ısı ilettiğini ekledi.

Elmasın yüksek termal iletkenliği, onu bu kadar sert yapan özellikten kaynaklanır: Her karbon atomu, dört komşusuna güçlü bir şekilde bağlanmıştır ve hiçbir yönde zayıf bağ yoktur. Bu güçlü bağlar, ısıyı bir kristal boyunca taşıyan titreşimleri verimli bir şekilde iletir. New York Times'a konuşan Dr. May, “Üst düzey elektroniklerde elmas ısı yayıcıları zaten kullanılıyor. Birkaç yıl içinde, ev bilgisayarınızda ya da cep telefonunuzdaki işlemci bile muhtemelen bir elmas ısı yayıcıya bağlı olacak" diye konuştu. 

Son yıllarda Roscheisen’in şirketi, ısıyı dağıtan ince bir elmas tabakası üretip çiplerin üzerinde inşa edildiği silikon levhaların arka yüzeyine yapıştırmanın yollarını araştırıyor. Bu yaklaşımın avantajlarından biri, kullanılan ince elmas katmanlarının tek kristal olması; bu tür kristaller, kristal dizilerine göre ısıyı daha iyi dağıtıyor. Ancak bu kadar ince ve tek kristalli tabakalar üretmek daha zor ve dolayısıyla daha pahalı.

Şirket elmasları, karbon açısından zengin çok sıcak bir gaz ya da plazma oluşturarak ve karbon atomlarını tam olarak doğru yapılandırmada yerleştirmeye teşvik ederek üretiyor. Şirkete göre kilit adım, her elmasın, zaten var olan, mükemmel düzenlenmiş bir elmas katmanı üzerinde büyüyormuş gibi kristalleşmeye başlamasını sağlamak.

10 cm genişliğinde elmas diskler üretildikten sonra şirket, elmas yüzeyini tamamen düzleştiren patentli teknikler kullandığını söylüyor. Bu şekilde yüzeyde bir atomdan daha büyük hiçbir kusur kalmıyor. Müşteriler daha sonra bu düz elmas levhayı silikon bazlı çiplerinin altına yapıştırabiliyor. Roscheisen, “Elmas katmanlar çipteki sıcak noktaları tamamen ortadan kaldırıyor" dedi. 

Hızı artırmaya çalışıyorlar

Stanford Üniversitesi’nden elektrik mühendisi Srabanti Chowdhury de elmas kullanarak yeni ve daha güçlü bir tür bilgisayar çipi geliştirmeye çalışıyor. Tarihsel olarak, çiplerin hızını artırmanın ana yolu, transistörleri küçültmek ve bir düz silikon levhaya daha fazlasını sığdırmaktı. Ancak çip üreticileri, transistörleri ne kadar küçültebilecekleri konusunda fiziksel sınırlara ulaşıyor. Araştırmacılar, bu sorunu çözmek için transistörleri üst üste yerleştirmeyi denedi ancak bu durum daha fazla ısı üretiyor.

Dr. Chowdhury’nin ekibi, üretimi tek kristallere göre daha kolay olan çok kristalli elmas katmanları kullanarak ısıyı dışarı çekmeye çalıştı. Ancak zorluklarla karşılaştılar. Genellikle çok kristalli elmas katmanlarında kristaller dikey olarak hizalanır ve yatay yönde ısı iletimi açısından o kadar da etkili değil.  Oysa çipler geniş ve düz olduğu için asıl ihtiyaç yatay ısı iletimi. Dr. Chowdhury, kendisinin ve diğer araştırmacıların hem eski hem de yeni bir sorunu çözmeye çalıştıklarını söyledi.