一组研究人员揭示了超薄金属中至关重要的热流原理，这为更快速、更小、更高效的计算机芯片提供了潜力。
弗吉尼亚大学的研究人员在追求更强大和高效的计算机芯片的过程中取得了显著的进展，确认了支配薄金属膜中热流的基本原理。这项研究发表在《自然通讯》上，并得到了半导体研究公司与英特尔的支持，增强了我们对未来芯片中使用的金属热导率的理解，开辟了先前被认为无法实现的技术进步的新可能性。
“随着设备尺寸的缩小，管理热量变得越来越重要，”首席研究员、机械和航空航天工程博士生Md. Rafiqul Islam解释道。“以高性能游戏主机或人工智能操作的数据中心为例，持续的高功率处理可能导致与热有关的延迟。我们的发现提供了一种框架，通过优化超薄金属（如铜）中的热流来应对这些挑战。”
了解科学：纳米尺度的热量
铜因其优异的导电性能而受到青睐，但随着设备缩小到纳米级别，它面临挑战。在这些微小的尺寸下，即使是最佳材料也由于温度上升而表现下降——这种情况在铜中尤为明显，导致导电性和效率降低。为了解决这个问题，UVA团队集中研究了一个称为马蒂森定律的基本热科学概念，并在超薄铜膜中验证了该定律。在这项研究之前，预测各种散射过程如何影响电子流的这一定律在纳米材料中尚未得到全面确认。
该团队采用了一种新技术，称为稳态热反射（SSTR），来评估铜的热导率，并将其与电阻率数据相关联。这一直接评估证实，当在特定参数下应用时，马蒂森定律有效地描述了热量在铜膜中即使在纳米级厚度下的运动。
影响：更冷、更快、更小的芯片
这为什么重要？在极大规模集成（VLSI）技术领域，电路紧密排列，有效的热管理直接提升性能。这项研究不仅暗示了未来将有更凉爽的设备，还承诺减少作为热量损失的能量——这是可持续技术的一个关键问题。通过确认马蒂森定律在纳米级别上也适用，研究人员为优化连接先进计算机芯片中电路的材料开辟了大门，为制造商建立了可靠的标准。
“把它视为一张路线图，”伊斯兰的导师、韦特尼·斯通工程教授Patrick E. Hopkins评论道。“随着这一规则的确认，芯片设计师现在拥有一个可靠的框架，来预测和管理微小铜膜中的热行为。这代表了设计符合未来能效和性能标准的芯片的一次变革性转变。”
面向电子未来的合作
这项研究的成就强调了UVA、英特尔和半导体研究公司之间成功的合作，突显了学术界与工业界联盟的好处。这些结果有望对下一代CMOS技术的发展产生重大影响，而这正是现代电子产品的基础。CMOS，即互补金属氧化物半导体，是构建集成电路的标准方法，这些电路为计算机、智能手机、车辆和医疗设备等提供动力。
通过将实验发现与先进建模相结合，UVA研究人员创造了材料的机会，这些材料不仅能实现更高效的设备，而且在整个行业中具有显著节能的潜力。在一个温度调节每一度都至关重要的领域，这些发现代表了电子产业的重要进步，使得更加凉爽、更快和更可持续的设备的未来比以往任何时候都更易实现。
