Insinyur Mendekode Aliran Panas untuk Meningkatkan Chip Komputer

Para peneliti di Universitas Virginia telah membuat kemajuan signifikan dalam memahami bagaimana panas mengalir melalui film logam tipis, yang penting untuk merancang chip komputer yang lebih efisien.

Studi ini menegaskan aturan Matthiessen di skala nanomeningkatkan manajemen panas pada film tembaga ultra-tipis yang digunakan pada perangkat generasi berikutnya, sehingga meningkatkan kinerja dan keberlanjutan.

Terobosan Teknologi Chip

Para peneliti di Universitas Virginia telah membuat terobosan signifikan dalam meningkatkan efisiensi chip komputer dengan menegaskan prinsip utama yang mengatur aliran panas dalam film logam tipis. Penemuan ini, diterbitkan di Komunikasi Alam dan didukung oleh Semiconductor Research Corporation yang bermitra dengan Intel, meningkatkan pemahaman kita tentang konduktivitas termal pada logam yang digunakan dalam chip generasi berikutnya. Temuan ini dapat memungkinkan perangkat menjadi lebih cepat, lebih kecil, dan lebih hemat energi dibandingkan sebelumnya.

“Seiring dengan menyusutnya perangkat, pentingnya pengelolaan panas menjadi hal yang terpenting,” jelas peneliti utama dan Ph.D. teknik mesin dan kedirgantaraan. mahasiswa Md. Rafiqul Islam. “Pertimbangkan konsol game kelas atas atau pusat data berbasis AI, di mana pemrosesan yang konstan dan berdaya tinggi sering kali menyebabkan hambatan termal. Temuan kami memberikan cetak biru untuk mengurangi masalah ini dengan menyempurnakan cara panas mengalir melalui logam ultra-tipis seperti tembaga.”

Memahami Sains: Panas pada Skala Nano

Tembaga, yang banyak digunakan karena sifat konduktifnya yang sangat baik, menghadapi tantangan besar seiring dengan penurunan skala perangkat hingga dimensi nanometer. Pada skala sekecil itu, bahkan material terbaik sekalipun akan mengalami penurunan kinerja karena peningkatan panas—sebuah fenomena yang diperkuat pada tembaga, yang menyebabkan rendahnya konduktivitas dan efisiensi. Untuk mengatasi hal ini, tim UVA fokus pada elemen penting ilmu termal yang dikenal sebagai aturan Matthiessen, yang mereka validasi dalam film tembaga ultra-tipis. Aturan tersebut, yang secara tradisional membantu memprediksi bagaimana berbagai proses hamburan mempengaruhi aliran elektron, belum pernah dikonfirmasi secara menyeluruh dalam material skala nano sampai sekarang.

Dengan menggunakan metode baru yang dikenal sebagai termorefleksi kondisi tunak (SSTR), tim mengukur konduktivitas termal tembaga dan memeriksa silang dengan data resistivitas listrik. Perbandingan langsung ini menunjukkan bahwa aturan Matthiessen, ketika diterapkan dengan parameter tertentu, secara andal menggambarkan cara perpindahan panas melalui film tembaga bahkan pada ketebalan skala nano.

Dampaknya: Chip Lebih Dingin, Lebih Cepat, dan Lebih Kecil

Mengapa ini penting? Dalam dunia teknologi integrasi skala sangat besar (VLSI), di mana sirkuit dikemas dalam ruang yang sangat sempit, manajemen panas yang efektif secara langsung berarti peningkatan kinerja. Penelitian ini tidak hanya menunjukkan masa depan ketika perangkat kita bekerja lebih dingin, namun juga menjanjikan pengurangan jumlah energi yang hilang akibat panas—yang menjadi perhatian mendesak bagi teknologi berkelanjutan. Dengan memastikan bahwa aturan Matthiessen berlaku bahkan pada dimensi skala nano, tim telah membuka jalan untuk menyempurnakan material yang menghubungkan sirkuit dalam chip komputer canggih, menetapkan standar perilaku material yang dapat diandalkan oleh produsen.

“Anggap saja ini sebagai peta jalan,” kata Patrick E. Hopkins, penasihat Isam dan Profesor Teknik Whitney Stone. “Dengan validasi aturan ini, perancang chip kini memiliki panduan tepercaya untuk memprediksi dan mengontrol perilaku panas dalam film tembaga kecil. Hal ini merupakan terobosan baru dalam pembuatan chip yang memenuhi tuntutan energi dan kinerja teknologi masa depan.”

Kolaborasi untuk Masa Depan Elektronika

Studi ini mencerminkan kolaborasi yang sukses antara UVA, Intel, dan Semiconductor Research Corporation, yang menunjukkan kekuatan kemitraan akademis-industri. Temuan ini memiliki potensi besar untuk memajukan teknologi CMOS (semikonduktor oksida logam komplementer) generasi berikutnya, yang merupakan komponen kunci elektronik modern. CMOS adalah teknologi standar di balik sirkuit terpadu yang digunakan pada perangkat mulai dari komputer dan telepon pintar hingga mobil dan peralatan medis.

Dengan menggabungkan penelitian eksperimental dan pemodelan tingkat lanjut, para ilmuwan UVA telah membuka jalan bagi material yang dapat memberi daya pada perangkat elektronik yang lebih efisien sekaligus mengurangi konsumsi energi. Dalam bidang di mana perbaikan kecil dalam pengendalian suhu dapat memberikan perbedaan besar, penemuan ini mewakili langkah penting menuju masa depan teknologi yang lebih dingin, lebih cepat, dan lebih berkelanjutan.

Referensi: “Mengevaluasi efek ukuran pada konduktivitas termal dan laju hamburan elektron-fonon film tipis tembaga untuk validasi eksperimental aturan Matthiessen” oleh Md. Rafiqul Islam, Pravin Karna, John A. Tomko, Eric R. Hoglund, Daniel M. Hirt , Md Shafkat Bin Hoque, Saman Zare, Kiumars Aryana, Thomas W. Pfeifer, Christopher Jezewski, Ashutosh Giri, Colin D. Landon, Sean W. King dan Patrick E. Hopkins, 24 Oktober 2024, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-024-53441-9

Makalah ini ditulis oleh Md. Rafiqul Islam dan Patrick E Hopkins dari University of Virginia. Studi ini didukung oleh Semiconductor Research Corporation, dengan bimbingan tambahan dan kolaborasi dari para peneliti di Intel.