Российские исследователи из Московского физико-технического института показали, что использование различных термоинтерфейсов — слоев теплопроводящих материалов, находящихся между чипом и системой охлаждения и обеспечивающих беспрепятственный отвод тепла, — позволит эффективно охлаждать высокопроизводительные оптоэлектронные чипы.

Благодаря новым разработкам процессоры буду работать в десятки раз быстрее современных. Исследование, о котором рассказала пресс-служба МФТИ, поддержано грантом Российского научного фонда. Результаты работы ученых опубликованы в журнале ACS Photonics.

Производительность многоядерных процессоров сегодня определяется не столько скоростью работы каждого ядра, сколько скоростью обмена данными между ними. Между тем электрические медные соединения в микропроцессорах ограничены по пропускной способности, что уже не позволяет наращивать производительность: так, двукратное увеличение количества ядер не дает двукратного роста вычислительной мощности.

Поэтому ведущие компании полупроводниковой индустрии, такие как IBM, Oracle, Intel и HP, сейчас постепенно переходят от электроники к фотонике, в которой информация передается потоками фотонов, а не электронов. Кроме того, возможны гибридные системы. Так, в оптоэлектронном микропроцессоре вычисления внутри каждого ядра будут вестись за счет электронов, а информацию между ядрами будут практически мгновенно передавать фотонные компоненты.

Однако из-за дифракции фотонные компоненты нельзя так же легко уменьшать, как электронные. Эту проблему ученые решают переходом от объемных электромагнитных волн к плазмон-поляритонам, электромагнитным волнам, способным распространяться вдоль поверхности металлов. Но так же, как протекание тока через резистор вызывает выделение тепла, так и фотонные компоненты разогреваются при прохождении поверхностной электромагнитной волны. Плотность тепловой мощности потерь с единицы поверхности плазмонного волновода составляет 10 кВт/см2, что в два раза превышает плотность излучения у поверхности Солнца.

Дмитрий Федянин и Андрей Вишневый, сотрудники лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ, нашли способ решения этой проблемы. Они показали, что использование различных термоинтерфейсов позволит эффективно охлаждать высокопроизводительные оптоэлектронные чипы.

В результате компьютерного моделирования физики пришли к выводу, что если оптоэлектронный чип с активными плазмонными волноводами разместить в воздухе, то его температура повысится на несколько сотен градусов Цельсия, что приведет к неработоспособности устройства. Многослойные термоинтерфейсы нано- и микрометровой толщины в сочетании с простыми системами охлаждения способны уменьшить температуру чипа с нескольких сотен до приблизительно 10 градусов Цельсия, выше температуры окружающей среды.