Grafenkledde kobbertråder kan dramatisk øke hastigheten på fremtidige prosessorer, kutte strømforbruket

Copphene

Helt siden det ble oppdaget, har forskere drømt om å bruke grafen som en viktig halvlederkomponent. Denne innsatsen har generelt blitt stymmet takket være vanskeligheter med å dyrke grafen i store mengder og mangelen på et bandgap - med grafen er utfordringen å gjøre det Stoppe ledende for å slå av en krets. Ny forskning i Stanford antyder imidlertid en interessant applikasjon for materialet som ikke er avhengig av å tilpasse det for å endre noen av de mest grunnleggende egenskapene. Grafenbelagte kobbertråder har betydelig bedre ytelse enn standard kobbertråd kappe i tantalnitrid, og ytelsesforbedringen faktisk øker når ledningene blir mindre.



Den perverse mekanikken for trådskalering

Når halvlederindustrien snakker om prosessnoder, antas det generelt at det å gå til en ny, mindre prosessgeometri er en god ting. Dette fortsetter å gjelde selv i dag - selskaper som Intel, TSMC, Samsung og GlobalFoundries er pålagt å gjøre mye mer arbeid for å sikre positive resultater når de går til nye geometrier, men nettoeffekten er fortsatt positiv av visse beregninger. Denne generelle trenden gjør det ikke holder sant for kobbertråder.



Problemet er dette: Å gjøre en ledning mindre betyr at du reduserer mengden metall som er tilgjengelig for elektroner å strømme gjennom. Tenk deg to rør - ett med en fots diameter og et med 10 fots diameter. Med en hvilken som helst strømningshastighet (målt i liter per minutt), må du flytte vann gjennom det mindre røret med høyere hastighet sammenlignet med det større. Dette øker både friksjonen i røret og turbulensen til vannet som strømmer gjennom det. Ved å skyve samme mengde strøm en liten ledning i en ledning øker motstanden (og overflødig varme) sammenlignet med en større ledning. (Takk til leseren Sean T for å skjerpe min opprinnelige vannføringsanalogi).



Kobbertråd

Her er hvor Stanfords forskning kommer inn . Årsaken til at kobbertrådene tradisjonelt er innpakket i tantalnitrid er for å sikre at kobber ikke vandrer inn i området rundt brikken. Et av lagets funn var at tantalnitridlaget er omtrent 8 ganger tykkere enn et tilsvarende lag med grafen som utfører den samme funksjonen. Det er viktig i og for seg, da det gjør at ledninger kan gjøres tynnere generelt uten å endre mengden kobber (tenk på dette som å gjøre et vannrør tynnere ved å redusere den ytre diameteren, men la den innvendige diameteren forbli uendret.



Den andre og uten tvil viktigere årsaken er at grafen effektivt fungerer som en sekundær ledningsbane for selve kobberet. I dag er effekten relativt beskjeden - kappe kobbertråder i grafen øker hastighetene med 4-17% avhengig av ledningens lengde. I fremtidige sjetonger kan imidlertid fordelene være mer betydningsfulle - ledninger kan være opptil 30% raskere mens de fremdeles skaleres til mindre størrelser. Fordi ledningsforsinkelser har blitt en av de viktigste ytelsesbegrenserne i moderne halvlederutforming, kan økende kobbertrådhastigheter forbedre flere aspekter ved chipdesign og strømforbruk.



Jeg er mer optimistisk med hensyn til denne bruken av grafen sammenlignet med bruken av halvledere. Å bruke grafen i halvledere krever at du endrer noen av materialets grunnleggende egenskaper eller endrer alt om hvordan vi bygger halvledere . Den ene flua i salven vil være volumproduksjon. Forskerne snakker om å dyrke grafenlagene rett rundt ledningen, men grafen har vist seg å være ekstremt vanskelig å skape i volum. Før vi knekker det spesielle problemet, bygger vi ikke noe med grafen i betydelige mengder.