Ученые создали микроскопические датчики температуры, которые можно интегрировать непосредственно в кристаллы процессорных чипов. Эти сенсоры, изготовленные из нового класса двумерных материалов, могут фиксировать изменения температуры за 100 наносекунд, что в миллионы раз быстрее, чем мигание глаза. Их миниатюрные размеры – всего один квадратный микрометр – позволяют разместить тысячи таких датчиков на одном чипе.
Современные процессоры используют температурные датчики, находящиеся за пределами кристалла, что ограничивает скорость и точность мониторинга тепла. Это особенно важно, поскольку отдельные транзисторы могут перегреваться быстрее, чем внешние сенсоры успевают среагировать. В результате чипы вынуждены применять консервативное троттлингование (снижение производительности), затрагивающее целые ядра, вместо того чтобы реагировать на локальные перегревы.
Новая технология решает эту проблему, встраивая сенсоры непосредственно в кремний. Для этого используются те же электрические токи, что и в самом чипе. Датчики изготовлены из биметаллических тиофосфатов – двумерного материала, ранее не применявшегося для теплового зондирования. Уникальное свойство этого материала заключается в том, что его ионы продолжают свободно перемещаться даже под воздействием электрического тока. Обычно инженеры стремятся устранить это в транзисторах, но команда исследователей использовала такое свойство для своих целей. Они объединили перенос ионов для измерения температуры с переносом электронов для считывания тепловых данных. В результате был создан сенсор, который, по словам разработчиков, не требует дополнительных схем или преобразователей сигнала и потребляет до 80 раз меньше энергии, чем традиционные кремниевые термодатчики.
«То, что в транзисторах обычно считается нежелательным, идеально подходит для теплового зондирования, – отмечают инженеры. – Вместо того чтобы удалять эти ионы из системы, мы используем их в наших целях». Благодаря объединению ионов для измерения температуры и электронов для считывания данных команда создала высокоточное и компактное устройство.
Хотя эти датчики были созданы и протестированы в лаборатории с использованием нанофабрикационной лаборатории, их коммерческая интеграция в чипы потребует дополнительной валидации процесса в промышленных масштабах от производителей. Тем не менее продемонстрированные характеристики – время отклика в 100 наносекунд, миниатюрные размеры в один квадратный микрометр и отсутствие необходимости в дополнительных схемах – существенно снижают ограничения, препятствовавшие внедрению теплового мониторинга непосредственно на кристалле в серийное производство.
Это исследование открывает новые возможности для создания процессоров с интеллектуальным и сверхбыстрым управлением температурой, что крайне важно для повышения производительности и энергоэффективности вычислительных систем, особенно в условиях развития ИИ и высокопроизводительных вычислений.
распечатать статью
