Перспективы охлаждения чипов и как нанотрубки Si-28 в этом могут помочь
Ученые обнаружили и продемонстрировали новый материал для использования в передовых процессорах, который может проводить тепло на 150% эффективнее, говорится в с татье, опубликованной Национальной лабораторией Лоуренса в Беркли (https://newscenter.lbl.gov/2022/05/17/silicon-nanowires-take-the-heat/). Накопление тепла в процессорах — большая проблема для производительности, а кремний действует как естественный теплоизолятор, препятствуя охлаждению. Есть надежда, что с применением новой технологии сверхтонких кремниевых нанотрубок чипы смогут стать меньше, быстрее и холоднее благодаря относительно простому изменению.
Ключевым изменением, которое было найдено, является использование изотопа очищенного кремния-28 (Si-28). Да, кремний дешев и распространен, но плохо проводит тепло, и это проблема современных чипов с десятками миллиардов транзисторов, работающих на высоких тактовых частотах. Природный кремний состоит из трех изотопов: кремний-28, кремний-29 и кремний-30. Кремний-28 является наиболее распространенным, составляя около 92% запасов природного кремния. Более того, давно известно, что Si-28 является лучшим проводником тепла. Очищенный Si-28 может проводить тепло примерно на 10% лучше, чем природный кремний. Однако до сих пор это преимущество считалось бесполезным. Иногда технологии заслуживают повторного изучения и переоценки по мере появления новых технологий, ведь новое - это хорошо забытое старое. Именно поэтому, ученые решили использовать очищенный Si-28 для создания ультратонких нанотрубок.
(Ученые Цзюньцяо Ву и Джоэл Агер)
Первоначально ученые подтвердили, что теплопроводность Si-28 всего на 10% выше, чем у природного кремния. Но это было справдливо для нанотрубок диаметром 1 мм. Однако, когда они создали нанотрубки Si-28 толщиной 90 нм (примерно в тысячу раз тоньше человеческого волоса), теплопроводность стала на 150% лучше, что стало для них большим сюрпризом. Они ожидали повышения результатов всего на 10–20%.
Исследования выявили две основные причины отличной теплопроводности нанопроволок Si-28. Электронная микроскопия показала, что нанопротрубки Si-28 имеют более совершенное стекловидное покрытие, поэтому они не страдают от недостатков смешения/исчезновения фотонов при теплопередаче нанотрубок из природного кремния. Во-вторых, на этих нанотрубках образовался естественный слой SiO2 (диоксид кремния), удерживающий фотоны, переносящие тепло, на своем пути. Таким образом, два ранее наблюдавшихся механизма блокировки фотонов были значительно уменьшены благодаря новому материалу.
Итак, какая польза от кремниевых нанотрубок, проводящих на 150% больше тепла? Некоторые современные конструкции транзисторов уже включают кремниевые нанотрубки. Полевой транзистор Gate-All-Around Field Effect Transistor (GAA-FET) использует кремниевые нанотрубки, сложенные вместе для проведения электричества, но они все еще страдают от накопления тепла. Если этот новый материал можно будет заменить, то разработчики процессоров смогут добиться относительно быстрой и легкой победы над высоким тепловыделением чипов.
Читая исходную статью, в настоящее время кажется, что очищенного Si-28, доступного для дальнейшего тестирования, явно не хватает. Образцы, использованные в описанных выше экспериментах, были взяты с бывшего советского завода (внезапно) по производству изотопов. Если преимущества действительно так хороши, как заявлено, тогда одному или нескольким производителям будет необходимо снова начать переработку Si-28. Учитывая сложность дальнейшего масштабирования технологического процесса, даже увеличение теплопроводности на 50% может быть достаточной причиной для этого, не говоря уже о заявленном улучшении на 150%.
Привычные москвичам «единые» делают на зеленоградском заводе «Микрон». Предприятие занимается производством микросхем с советских времён. В начале 1990-х оно было акционировано. Потом завод вошёл в концерн «Ситроникс», принадлежащий АФК «Система». В июле 2006 года концерн подписал соглашение с компанией STMicroelectronics о передаче технологий производства микросхем по топологии 180 нанометров. На этой линии производятся микрочипы, которые сейчас стоят в каждом московском проездном билете. Помимо них, завод выпускает SIM-карты и пластиковые карты с чипами для Visa и MasterCard, чип-модули для универсальной электронной карты и биометрического загранпаспорта.
Главный элемент московской транспортной карты — микрочип размером 0,2 квадратных миллиметра. Кристаллы микрочипов изготавливают на кремниевых пластинах в чистых комнатах, где мощные кондиционеры поддерживают постоянную температуру в 21 градус и влажность 45 %. Внутрь чистых комнат могут входить только сотрудники завода в спецодежде и масках — это необходимо для того, чтобы исключить попадание пыли или посторонних частиц с одежды и кожи на пластины с будущими чипами или оборудование.
Изготовление кристалла представляет собой сложный технологический процесс, который похож на многократно повторяющуюся проявку фотографии. Поверхность кремниевой пластины покрывается специальным слоем диэлектрика. На него наносится фоточувствительный состав — фоторезист.
Затем с помощью ультрафиолетового луча пластину засвечивают через фотошаблон с рисунком одного из слоёв будущей микросхемы. Эта процедура повторяется многократно на всей поверхности пластины, сколько хватит места в зависимости от размера самого чипа. Так на одну пластину диаметром 200 миллиметров «влезает» 90 тысяч транспортных чипов.
Ультрафиолетовое излучение, проходя сквозь фотошаблон, засвечивает отдельные участки поверхности, которые потом проявляются с помощью специальных составов. В результате на поверхности остаются как бы «вычерченные» линии из фоторезиста. Свободные участки подвергаются различному воздействию: травлению или ионной имплантации, когда из высоковольтного ускорителя в пластину «выстреливаются» ионы других веществ, проникающих в поверхностные слои кремния на определённую глубину.
Так получаются десятки миллионов крошечных транзисторов, которые в нужной последовательности должны соединяться между собой проводниками. Плотность элементов так велика, что соединить их все на одном слое невозможно. Поэтому делается несколько слоёв, где проводники не перекрещиваются друг с другом. Все слои и проводники образуют сложную структуру, похожую на разветвлённые ходы в муравейнике.
Весь процесс изготовления кристаллов на пластине занимает около двух-трёх месяцев и требует последовательного выполнения более трёх тысяч различных операций. В чистой комнате завода девять участков, отвечающих за разные этапы производства. Ежедневно и круглосуточно специалисты контролируют технологический процесс, обеспечивая качество и точность выполнения всех операций. Всего же на «Микроне», который кроме производства кристаллов занимается ещё научными исследованиями, проектированием микросхем и сборкой готовых изделий, работает около 1 700 сотрудников.
Когда изготовление кристаллов завершается, пластины отправляются в цех производства транспортных карт. На участке бампирования автомат с огромной скоростью ставит крошечные золотые столбики (бампы) на каждый чип. Потом они станут контактом между чипом и антенной транспортного билета.
Антенна нужна для питания чипа электричеством с помощью электромагнитной индукции. В момент прикладывания билета к валидатору турникета антенна билета попадает в электромагнитное поле и начинает вырабатывать слабый электрический ток. Чип «просыпается» и начинает по радиоканалу передавать информацию о своём номере, количестве поездок, сроке действия. Информация сверяется с базой данных, и, если всё сходится, с карты списывается поездка и дверцы турникета открываются.
На этапе утончения пластины становятся тоньше в десять раз. Автомат срезает снизу излишки кремния и толщина пластины сокращается с 750 до 75 микрон. Это позволяет избежать появления бугорка на том месте, где на транспортную карту будет установлен чип.
Потом пластина переносится на липкую плёнку и отправляется на резку, где алмазные резцы режут её по вертикали и горизонтали, аккуратно вырезая каждый из 90 тысяч чипов. Толщина разреза минимальная, и появление сколов на краях недопустимо.
На конвейере чипы прикрепляются на особую нерастягивающуюся полиэтиленовую ленту с алюминиевой антенной. Сначала аппарат наносит клей точно на место крепления, а потом на него ставится чип: с обратной стороны липкой плёнки чип приподнимается тоненькой иголкой, чтобы вакуумная присоска могла подхватить его и установить в нужное место. Плёнка с антенной и установленным чипом называется «инлей». Инлеи тестируются, режутся на полосы и скатываются в тугие бобины.
Бумагу для транспортных карт завод заказывает в типографии. Автомат наклеивает на инлей с чипом обе стороны билета, а затем происходит вырубка — вырезание карты стандартной формы.
После вырубки билеты проходят персонализацию. Барабан захватывает билет и записывает на его чип номер карты, который в дальнейшем позволит его идентифицировать в базе данных. Упаковщицы укладывают карты в коробки, которые отправляются в метрополитен и билетные кассы города. Номера билетов и партий заносятся в компьютер, а потом при продаже кассир просто «присваивает» билету определённое количество поездок.
Каждый месяц «Микрон» делает более 30 миллионов транспортных карт для департамента транспорта Москвы и московского метрополитена. Их отпускная цена уже три года не превышает 5 рублей.
Представлена «вечная» батарейка на радиоактивных элементах
Американский стартап Nano Diamond Battery представил прототип бета-гальванической батареи, которая способна проработать тысячи лет. Это не теория, сейчас разработку переводят на коммерческую основу. Несколько недель назад разработчик завершил тестирование, убедившись в работоспособности системы. Первые батареи такого типа появятся в продаже в конце этого года. Инвестором разработчиков выступил стартап-инкубатор Volkswagen Future Mobility.
Разработка представляет собой специальный корпус из синтетических алмазов, внутрь которого помещен радиоактивный сердечник. В процессе неупругого рассеивания бета-излучение изотопов преобразуется в электрический ток. В качестве топлива используются переработанные ядерные отходы углерода-14. Этот изотоп применяется для радиоизотопного датирования и диагностики некоторых заболеваний желудочно-кишечного тракта. Он также накапливается в графитовых деталях ядерных реакторов, которые поглощают излучение ядерных топливных стержней. Хранить такие отходы опасно, дорого и трудно. Батареи на углероде-14 решают сразу две проблемы — недолговечность обычных элементов питания и переработки радиоактивных отходов.
В Nano Diamond Battery отмечают, что батарейки безопасны для человека и окружающей среды. В процессе испытаний радиационный фон оставался в норме. А алмазная оболочка (дешевые искусственные алмазы) успешно защищала корпус от возможных повреждений. Еще один положительный момент — работающая батарейка не выделяет углекислый газ.
Безопасность и эффективность бета-гальванической батареи подтвердили в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса и Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Конкуренты прототипа батареи NDB демонстрировали 15% эффективности при производстве энергии. А у разработки калифорнийского стартапа благодаря синтетической алмазной структуре, которая выступает одновременно полупроводником и теплоотводом, эффективность достигла 40%. Внутренний стержень «фонит» до 28 000 лет, поэтому элементы питания будут работать гораздо дольше, чем техника, в которую они установлены.
Nano Diamond Battery предлагает бета-гальванические батареи в разных форм-факторах, включая привычные АА, AAA, 18650, CR2032 и других. Теоретически они могут работать совместно с литий-ионными батареями, установленными на большинстве современных устройств. При работе «алмазная» батарейка будет передавать излишки электричества литиевому аккумулятору.
«Представьте себе iPhone. Наша разработка полностью заряжала бы вашу батарею с нуля пять раз в час. Представьте себе это. Представьте себе мир, в котором вам вообще не придется заряжать аккумулятор в течение дня. А теперь представьте себе неделю, месяц… Как насчет десятилетий? Вот что мы можем сделать с помощью нашей технологии», — рассказал о разработке NDB сотрудник стартапа Нил Найкер.
Компания NDB поделилась планами наладить коммерческое производство бета-гальванических батарей к концу года. Заключены два предварительных контракта на поставку батарей американским компаниям. Будущие бета-тестеры занимаются производством, обслуживанием и утилизацией продуктов ядерного топлива, а также производством аэрокосмической, оборонной и охранной продукции. Названия первых клиентов пока держат в секрете.
10 ВИДОВ ФАНТАСТИЧЕСКОГО ОРУЖИЯ, КОТОРОЕ ВОЗМОЖНО В ТЕОРИИ
Научная фантастика достаточно долго подбрасывает нам хорошие идеи для смертельных технологий. Но сколько изобретений из научной фантастики могут существовать хотя бы в теории? Самые любопытные варианты нам подбрасывают популярные творения — начиная «Доктором Стрейнджлавом» и «Звездными войнами» и заканчивая вселенной Marvel. Давайте пройдемся по списку.
Световые мечи
Думаю, когда-то каждый из нас тайно или явно хотел себе световой меч. В скором будущем эта мечта может осуществиться. В сентябре 2013 года ученые из Гарварда и Массачусетского технологического института нашли способ манипулировать фотонами — частицами, которые обычно не взаимодействуют друг с другом — и объединили их в фотонную молекулу. До тех пор, пока ученым не удалось связать фотоны, возможность была только теоретической. Как вы догадываетесь, самый яркий пример того, что может получиться в результате этого эксперимента — именно световой меч.
Чтобы провернуть это, ученые погрузили атомы рубидия в вакуумную камеру и с помощью лазеров охладили их до температуры почти абсолютного нуля. Затем одиночные фотоны пропускали через облако атомов посредством лазерных импульсов. Уже тогда стало понятно, что этот процесс можно будет использовать для создания трехмерных кристаллических структур света. Конечно, до создания светового меча науке еще далеко, однако такая технология хотя бы теоретически возможна.
Киборги
Киборги были пугающей особенностью научной фантастики почти с самого ее появления. Но насколько возможно сегодня создать «бионического человека», с нашими современными технологиями? Абсолютно. Бионические глаза и слуховые аппараты, лаборатории-на-чипе и имплантаты, роботизированные протезы и прочее другое. В Университете Вандербильта уже давно создали бионический экзоскелет для людей с повреждениями спинного мозга, приведшими к параличу. Помимо того, что подобные исследования открывают новые горизонты для людей, которые по разным причинам не могут полноценно использовать свои конечности или тело, также возникают возможности для развития людей в сторону превосходства.
Тот же экзоскелет от вандербильтских ученых работает на механизмах, размещенных в тазобедренных и коленных суставах. Они позволят полностью управлять ортезами выше талии. Мы регулярно сообщаем о том, что приложения для людей, прикованных к инвалидным креслам, постоянно развиваются — интерфейсы мозг-машина совершенствуются. Если подобные изобретения могут помочь людям с разной степенью инвалидностью, и те с радостью будут ими пользоваться, почему мы не можем представить появление киборга, чье тело будет полностью состоять из кибернетических частей?
Термоядерный реактор
Наши сегодняшние знания говорят нам, что создать источник почти безграничной энергии в небольшом замкнутом пространстве — вполне возможно. Термоядерный реактор из миров «Человека-паука» и «Железного человека» не может быть реальным, но в их основе лежат реальные научные идеи. Пугает нас не то, что мы далеки от понимания того, как должна протекать реакция дейтерий-тритий термоядерного синтеза. Пугает нас то, что эта реакция вполне может вызвать ядерный взрыв. Процесс термоядерного синтеза предполагает, что два атомных ядра будут находиться достаточно близко друг к другу, чтобы слиться, но это потребует температуры в 100 миллионов градусов по Цельсию и определенного давления.
В дополнение к температуре, процесс порождает высокоэлектрическую плазму, которая должна находиться в клетке магнитного поля. И все это нужно удержать. Успехи ученых не могут не радовать, однако если эту реакцию возьмут на вооружение, будет беда.
Телепортатор
Телепортатор, показанный в сериале «Звездный путь», возможно, одно из самых крутых устройств, телепортирующих людей в научной фантастике, да и фраза «Beam me up, Scotty» стала крылатой. Не так давно ученые телепортировали алмазный кубит на три метра со стопроцентной точностью. Как можно связать эти вещи? Да запросто. Хотя телепортацию сложно назвать оружием, она определенно может использоваться как для добрых, так и для злых дел. Вопрос в другом: возможна ли она в принципе?
Когда начались первые эксперименты с квантовой запутанностью (точнее, первые эксперименты с непосредственной передачей квантовой информации, используя данный феномен), проблемными вопросами стали расстояние и точность передачи. С каждым годом экспериментальное расстояние квантовой телепортации увеличивалось. Последние данные говорят о стопроцентно точной передаче. На лето запланирована передача кубита на 1300 километров. Достаточно ли это для того, чтобы вычеркнуть телепортацию из списка невозможного, решать вам.
Машина времени
Вряд ли мы разгонимся до 88 миль в час и перепрыгнем в другой век на «Делореане». Едва ли мы сможем засесть в телефонной будке, которая отправит нас в другую галактику на 1000 лет в будущее. Тем не менее это не означает, что путешествия во времени невозможны. Альберт Эйнштейн смог показать, что время — эластичное, оно может изгибаться и сжиматься, как скатерть. Путешествия во времени возможны уже потому, что время ускоряется с увеличением скорости движения. Это видно по звездам и планетам за световые годы от нас. Кроме того, Эйнштейн утверждал, что гравитация неразрывно связана с временем. Что ж, если путешествия во времени теоретически возможны, как насчет машины времени?
Машина времени, стоит полагать, будет работать благодаря искривлению пространственно-временного континуума, образуя так называемую «замкнутую времениподобную кривую». Дело в том, что для создания такой кривой машине потребуется экзотическая материя с отрицательной плотностью энергии. Есть и варианты без экзотической материи, но они предполагают почти невозможные манипуляции с гравитационными полями. Тем не менее теория не запрещает ничего и создает базис для подобных устройств.
Но как вы можете догадаться, если машина времени и будет существовать в будущем, она будет опаснее многих видов оружия.
ЭМИ
Помните электромагнитный импульс из «Матрицы», который останавливал судна на воздушной подушке? Оружие, которое может отключить все электронные устройства, действительно изрядно напугало нас еще в научной фантастике, однако ЭМИ существует в реальной жизни и работает еще страшнее, чем мы можем представить.
Средний взрыв ЭМИ уничтожил бы все ближайшие электронные устройства. Взрыв меньших размеров мог бы обесточить местные банки, системы безопасности и обороны, биржи и другие институты. Вы знаете, насколько любая инфраструктура зависит от Интернета, но от электронных устройств она зависит еще больше. Ходили слухи, что Северная Корея экспериментировала с российскими технологиями, пытаясь создать оружие на базе ЭМИ, способное отключать электронику военной техники. Перспектива жуткая, и никакой Нео нас не спасет, если оружие ЭМИ станет обычным делом.
Нейтрализатор
Нейтрализатор из «Людей в черном» — это, пожалуй, одна из самых крутых штукенций в мире научно-фантастического оружия. Будучи ненамного больше ручки и помещаясь в кармане пиджака, нейтрализатор может уничтожить человеческую память одной вспышкой света. Хотя у нас пока таких устройств нет, ученые экспериментируют с редактированием памяти и весьма успешно. Любые технологии подобного плана испытываются на лабораторных животных и ориентируются на определенный тип памяти, связанный с эмоциями и моторикой.
Ученые полагают, что подобная техника редактирования памяти успешно может быть применена на людях. Вопрос только в этике. В первую очередь подобное «лечение» поможет солдатам с посттравматическим стрессовым расстройством или людям с подобными проблемами.
Луч смерти
Луч смерти — это, как правило, портативное оружие, способное испускать лучи смертельных частиц. Одной из первых попыток создания концентрированного луча смерти считается попытка Николы Теслы. Его идея заключалась в том, чтобы создать вакуумное уплотнение, а затем пустить поток воздуха с высокой скоростью через оружие, создавая так называемый «высокий вакуум». В результате, пучок частиц мог проецироваться по прямой на 320 километров. Луч смерти Теслы был почти идентичен оружию на основе заряженных частиц, которое разрабатывали как США, так и Россия во времена холодной войны.
Однажды мир поразила интересная новость: мужчина использовал старый кинескоп телевизора, чтобы создать концентрированный «луч смерти» с температурой 1090 градусов по Цельсию, способный прожигать металл. Если выдавать пучок частиц так легко, можно ли уместить подобный луч смерти в пистолет? Почему бы и нет?
Машина Судного дня
Машины Судного дня, они же устройства, способные в один момент похоронить всякую память о человечестве, пугали широкую общественность с момента зарождения научной фантастики. Тем не менее сюжеты, в которых СССР взрывает мир, берут начало из реальности. В 1984 году Советский Союз на самом деле построил «машину Судного дня» под названием «Периметр». Система «заряженных» станций по всей стране в любой момент могла выпустить многочисленные ракеты в направлении США. По разным расчетам, эта система могла уничтожить более 100 миллионов людей. Самое страшное то, что «Периметр» работает и по сей день. В США появилась подобная система. Кто будет следующим — страшно подумать.
Вирус «Экстремис»
Вирус «Экстремис» из вселенной Marvel изначально был разработан для регенерации ампутированных конечностей, а потом уже стал давать сверхчеловеческие способности. Однако и наши (реальные, а не фантастические) ученые изучают возможности восстановления утерянных конечностей, органов и даже зубов. Если вместо конечностей можно поставить протезы, органы заменить напечатанными на 3D-принтерах аналогами, зубы можно заставить вырасти снова… лазером.
В исследовании, которое было опубликовано в журнале Science, Гарвардская команда ученых рассказывает, как лазер малой мощности может заставить стволовые клетки зуба формировать дентин. В настоящее время поврежденный дентин заменяется синтетическим материалом.
Данное исследование основывается на многолетних анекдотических сообщениях о том, что маломощный лазер стимулирует рост кожи или волос. (В то же время мощные лазеры делают ровно наоборот). Что-то в свете лазера стимулирует определенные биологические пути в клетках. Ученые выяснили, что происходит при взаимодействии лазера с дентином. Выстрел лазера производит выброс активных форм кислорода, которые представляют собой химически активные молекулы, активизирующие фактор роста, стимулирующий рост дентина.
Хотя исследование проводилось на регенерации частей зуба с помощью стволовых клеток в чашке Петри, лазерная процедура может свободно переместиться в рот.
Отличный комментарий!