Il transistor termico potrebbe raffreddare i chip dei computer – Physics World

Il transistor termico potrebbe raffreddare i chip dei computer – Physics World

Timestamp: 19 dicembre 2023 9:02

Illustrazione di un transistor termico che utilizza un campo elettrico per controllare il flusso di calore, che mostra un chip circondato da una luce arancione brillante e che irradia un raggio di calore
Illustrazione di un transistor termico a stato solido sviluppato dall'UCLA che utilizza un campo elettrico per controllare il movimento del calore. (Per gentile concessione: H-Lab/UCLA)

I ricercatori dell’Università della California a Los Angeles, negli Stati Uniti, hanno inventato un transistor termico che utilizza un campo elettrico per controllare il flusso di calore. Questo dispositivo dimostrativo è il primo nel suo genere e i suoi sviluppatori affermano che potrebbe essere utilizzato per raffreddare i chip dei computer o addirittura per rivelare come le cellule viventi regolano il calore a livello molecolare.

I transistor elettrici sono dispositivi semiconduttori che regolano il modo in cui l'elettricità (elettroni) si muove attraverso un chip e sono ampiamente utilizzati per amplificare o commutare segnali elettrici e alimentazione. Sono gli elementi costitutivi della moderna tecnologia informatica e la loro dimensione in continua diminuzione significa che ora è possibile racchiuderne miliardi in un singolo chip.

Il problema con questa crescente densità è che gli elettroni generano quantità significative di calore mentre si propagano. Se questo calore non viene rimosso, le prestazioni del chip inizieranno a peggiorare. I dissipatori di calore convenzionali risolvono questo problema allontanando passivamente il calore dalle aree calde, ma mancava un modo più dinamico per regolare il trasporto del calore. Questo perché la natura dissipativa del flusso di calore, la distribuzione spettrale dei trasportatori di calore (fononi) e il fatto che il calore generalmente reagisce molto debolmente con i campi esterni rendono molto difficile controllare il preciso flusso di calore attraverso i materiali, spiega Yongjie Hu, un ingegnere meccanico e aerospaziale che ha guidato il nuovo sforzo di ricerca.

Hu e colleghi hanno realizzato il loro nuovo transistor termico da un'interfaccia molecolare autoassemblata che funge da condotto per il calore. L'attivazione e la disattivazione di un campo elettrico attraverso un gate del terzo terminale fornisce controlli dell'effetto di campo sulle dinamiche di legame atomico del materiale dell'interfaccia e quindi sulla resistenza termica attraverso di esso. Il risultato è un dispositivo con una velocità di commutazione superiore a 1 MHz e un rapporto di conduttanza termica superiore al 1300% che può essere commutato più di 1 milione di volte.

"Il nostro nuovo principio di progettazione rappresenta un grande passo avanti nel campo poiché gestisce il movimento del calore con l'accensione e lo spegnimento di un campo elettrico, proprio come è stato fatto per decenni con i transistor elettrici", spiega Hu Mondo della fisica. "Si tratta di un'area di ricerca emergente e in rapida evoluzione molto interessante e stiamo lavorando su nuovi concetti e progetti per realizzare sviluppi rivoluzionari, proprio come hanno fatto i nostri predecessori nel campo dei transistor elettrici che hanno rivoluzionato la moderna tecnologia informatica."

Implicazioni per la gestione termica

Hu ritiene che il lavoro del team potrebbe avere implicazioni per la gestione termica nell'elettronica, nell'imballaggio di circuiti integrati 3D, nei sistemi energetici sostenibili, nella lavorazione industriale e nella terapia termica biomedica. Aggiunge che il concetto offre anche un nuovo modo per comprendere la gestione del calore nel corpo umano a livello dei meccanismi molecolari attivi all'interno delle cellule viventi.

Spronati dai risultati preliminari, i ricercatori, che descrivono in dettaglio il loro lavoro attuale Scienze, affermano che ora stanno esplorando modi per migliorare le prestazioni dei propri transistor termici ottimizzandone strutture e materiali. “Stiamo anche integrando questi transistor termici avanzati nei circuiti di alimentazione, come circuiti integrati 3D e progetti di chiplet”, rivela Hu. "Sfruttando questi transistor termici con controllo di precisione su scala nanometrica, il nostro sistema mira a ottenere prestazioni di elaborazione e affidabilità significativamente migliorate, superando le attuali tecnologie all'avanguardia."

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