Arbetar för att ta itu med "hotspots" i datorchips som försämrar deras prestanda, UCLA-ingenjörer har utvecklat ett nytt halvledarmaterial, defektfri borarsenid, som är effektivare för att dra och avleda spillvärme än något annat känt halvledar- eller metallmaterial.

Detta kan potentiellt revolutionera termisk hanteringsdesign för datorprocessorer och annan elektronik, eller för ljusbaserade enheter som lysdioder.

Studien publicerades nyligen i Vetenskap och leddes av Yongjie Hu, UCLA biträdande professor i maskin- och flygteknik.

Datorprocessorer har fortsatt att krympa ner till nanometerstorlekar där det idag kan finnas miljarder transistorer på ett enda chip. Detta fenomen beskrivs under Moores lag, vilket förutspår att antalet transistorer på ett chip kommer att fördubblas ungefär vartannat år. Varje mindre generation av chips hjälper till att göra datorer snabbare, kraftfullare och kan utföra mer arbete. Men att göra mer arbete betyder också att de genererar mer värme.

Att hantera värme inom elektronik har alltmer blivit en av de största utmaningarna för att optimera prestanda. Hög värme är ett problem av två skäl. Först, när transistorer krymper i storlek, mer värme genereras inom samma fotavtryck. Denna höga värme saktar ner processorhastigheten, i synnerhet vid "hotspots" på flis där värme koncentreras och temperaturerna stiger. Andra, mycket energi går åt för att hålla dessa processorer svala. Om CPU:erna inte blev lika heta från början, då kunde de arbeta snabbare och mycket mindre energi skulle behövas för att hålla dem svala.

UCLA-studien var kulmen på flera års forskning av Hu och hans studenter som inkluderade design och tillverkning av materialen, prediktiv modellering, och precisionsmätningar av temperaturer.

Den defektfria borarseniden, som gjordes för första gången av UCLA-teamet, har en rekordhög värmeledningsförmåga, mer än tre gånger snabbare på att leda värme än för närvarande använda material, som kiselkarbid och koppar, så att värme som annars skulle koncentreras till hotspots snabbt spolas bort.

"Det här materialet kan bidra till att avsevärt förbättra prestandan och minska energibehovet i alla typer av elektronik, från små enheter till den mest avancerade datacenterutrustningen, "Hu sa. "Den har utmärkt potential att integreras i nuvarande tillverkningsprocesser på grund av dess halvledaregenskaper och den påvisade förmågan att skala upp denna teknologi. Det kan ersätta dagens toppmoderna halvledarmaterial för datorer och revolutionera elektronikindustrin."

Studiens andra författare är UCLA doktorander i Hus forskargrupp:Joonsang Kang, Man Li, Huan Wu, och Huuduy Nguyen.

Förutom effekterna för elektroniska enheter och fotonikenheter, studien avslöjade också nya grundläggande insikter i fysiken om hur värme strömmar genom ett material.

"Denna framgång exemplifierar kraften i att kombinera experiment och teori i upptäckten av nya material, och jag tror att detta tillvägagångssätt kommer att fortsätta att tänja på de vetenskapliga gränserna på många områden, inklusive energi, elektronik, och fotonikapplikationer, " sa Hu.