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Il grafene aiuta i fili di rame a mantenersi freschi
Quando le persone nell'industria dei chip parlano dei problemi termici nei processori dei computer, diventano drammatici. Nel 2001, Pat Gelsinger, allora vicepresidente di Intel, ha notato che se le temperature prodotte dagli ultimi chip continuassero a salire lungo il loro percorso attuale, supererebbero il calore di un reattore nucleare entro il 2005 e la superficie del sole entro il 2015. Fortunatamente, tale disastro termico è stato evitato rallentando le velocità di commutazione nei microprocessori e adottando progetti di chip multicore in cui diversi processori funzionano in parallelo.
Calmarsi: Un primo piano mostra il rame prima dell'aggiunta del grafene (in alto) e dopo (in basso).
Ora l'industria dei semiconduttori ha un altro problema termico da risolvere. Man mano che i componenti del chip si restringono, anche il cablaggio in rame che li collega deve restringersi. E man mano che questi fili si assottigliano, si riscaldano tremendamente.
Una potenziale soluzione a questa febbre da interconnessione è stata trovata sotto forma di grafene, un materiale esotico costituito da fogli di carbonio dello spessore di un singolo atomo che è un conduttore superlativo sia di elettroni che di calore.
Gli scienziati dei materiali usano già il rame come catalizzatore per coltivare il grafene per altri usi. Così Alessandro balandin dell'Università della California, Riverside, e Kostya Novoselov , un fisico dell'Università di Manchester, nel Regno Unito, che ha vinto il Premio Nobel per la Fisica 2010 per il suo lavoro fondamentale con il grafene (vedi il grafene vince il premio Nobel), decise di lasciare il grafene sul rame per vedere come influenzava le proprietà termiche del metallo. In un articolo pubblicato sulla rivista Nano lettere , riferiscono che un sandwich fatto di grafene su entrambi i lati di un foglio di rame migliora la capacità del rame di dissipare il calore del 25%, una cifra significativa per i progettisti di chip.
Balandin afferma che il grafene stesso non sembra condurre via il calore. Piuttosto, altera la struttura del rame, migliorando le proprietà conduttive del metallo. Il calore che si muove attraverso il rame è solitamente rallentato dalla struttura cristallina del metallo. Il grafene cambia questa struttura, facendo allontanare quelle pareti e consentendo al calore di fluire più facilmente, afferma Balandin.
Gli studi sono stati condotti con fogli di rame relativamente spessi, molto più grandi dei fili di rame che si trovano nei chip dei computer, ma Balandin si aspetta che l'effetto di conduzione del calore si vedrà anche nei fili di rame più sottili. Ora sta lavorando su fili di rame-grafene piccoli come quelli usati nei chip dei computer commerciali.
Il problema è urgente. Quest'anno Intel dovrebbe annunciare prodotti contenenti transistor a 14 nanometri, con interconnessioni in rame su questa scala o anche più piccole. I fili di rame non funzioneranno al di sotto dei 10 nanometri e non è chiaro cosa funzionerà. Non abbiamo ancora trovato un materiale di interconnessione che possa funzionare oltre i 10 nanometri, in parte a causa del surriscaldamento, afferma Saroj Nayak , fisico presso il Center for Integrated Electronics presso il Rensselaer Polytechnic Institute di Troy, New York.
Majeed Foad, un ingegnere elettrico presso Materiali applicati , un produttore di apparecchiature per semiconduttori con sede a Santa Clara, in California, che aiuta l'azienda a monitorare la ricerca su nuovi materiali, afferma che le proprietà del grafene sono entusiasmanti, ma aggiunge che man mano che i componenti del chip vengono miniaturizzati, diventano più sensibili alle alte temperature. Ci vuole molto calore per produrre grafene di buona qualità: Balandin e Novoselov hanno riscaldato i loro fili a oltre 1.000 °C. Foad afferma che tali temperature degraderebbero i transistor e altri componenti del chip. Balandin, tuttavia, indica esperimenti di laboratorio che dimostrano che il grafene può essere coltivato a temperature più basse, almeno nel contesto della ricerca.
Indipendentemente da ciò, afferma Foad, i produttori di chip non avranno fretta di abbracciare il grafene. Cambiare i materiali è molto doloroso, quindi spremeremo fino all'ultima goccia di prestazioni da ciò che abbiamo, dice.
È chiaro che semplicemente stipare più transistor nei processori e inserire più processori nei chip non sarà sostenibile ancora per molto. I chip di fascia alta contengono già da 50 a 60 chilometri di cablaggio in rame e più core.
Jonathan Candelaria , direttore della ricerca sulle interconnessioni presso la Semiconductor Research Corporation, un consorzio industriale di Durham, nella Carolina del Nord, afferma che l'aggiunta di più transistor non migliora le prestazioni come una volta. La soluzione potrebbe rivelarsi ancora una volta nell'adottare architetture fondamentalmente diverse. Nuovi modi di progettare e confezionare i chip potrebbero aiutare a risolvere il problema del calore, afferma Candelaria, e questo darà all'industria il tempo di risolvere i problemi con nuovi materiali, forse inclusi i nuovi ibridi grafene-rame.