Verrijkt silicium koelt als een malle

Gieljan de Vries

19-05-2022 11:00:00

verrijkt silicium-28

Nanodraden van ultrazuiver silicium koelen anderhalve keer beter dan het spul waar je normaal gesproken computerchips van maakt. Dat is goed nieuws voor processoren die steeds meer warmte kwijt moeten.

Van rekenen krijg je het warm. Voel je mobiel maar na een lange treinrit YouTube-filmpjes kijken: al die data binnentrekken en er vloeiend beeld van breien kost een hoop energie, en dat komt uit je chip als warmte. Een lastige spagaat voor chipontwerpers, want processoren doen het juist beter als ze lekker koud zijn.

Moderne chips zijn zo klein en compact dat het steeds lastiger wordt om genoeg rekenwarmte af te voeren. In wetenschapsblad Physical Review Letters laten natuurkundigen uit Amerika en China een oplossing zien: ragfijne draden van speciaal gezuiverd silicium en dunner dan een haar, die tot wel anderhalf keer beter warmte geleiden dan normaal silicium.

Lees ook:

Warmtedeeltjes

Chipontwerpers kunnen nog niet meteen aan de slag met de vondst. Het benodigde ultrazuivere silicium-28 met veertien protonen en veertien neutronen in de atoomkern is volgens de onderzoekers nauwelijks te krijgen, want natuurlijk voorkomend silicium bevat ook de zwaardere varianten silicium-29 en -30. Om die uit je materiaal te filteren, moet je naar dezelfde verrijkingsinstallaties die kernbrandstof produceren.

silicium-28
Close-up van een nanodraad loepzuiver silicium (c-28Si, onder) met een buitenlaat van siliciumoxide (boven). Zulk zuiver materiaal geleidt warmte anderhalve keer beter dan normaal silicium. © Matthew R. Jones en Muhua Sun / Rice University

Waarom geleidt gezuiverd silicium-28 warmte zo goed? Hoofdonderzoeker Zlatan Aksamija (Universiteit van Utah), een expert in materiaalgedrag op nanoschaal: “Warmte trekt door zo’n nanodraad in de vorm van fononen, pakketjes energie die zich gedragen als deeltjes die van warm naar koud door een materiaal bewegen. In puur silicium-28 gaan die netjes rechtdoor, zodat warmte snel door de draad gaat.”

Stuiteren

De makke, volgens het persbericht over het onderzoek, is dat natuurlijk voorkomend silicium zoals in computerchips vol obstakels zit voor fononen. “Naast silicium-28 zitten daar ook zwaardere varianten of isotopen in”, legt Aksamija uit: “scheikundig hetzelfde, maar ze wegen allemaal iets anders doordat ze een ander aantal neutronen in de atoomkern hebben”. Het zwaardere silicium-29 en -30 bewegen minder makkelijk mee met langskomende fononen, die daardoor kriskras door het materiaal stuiteren in plaats van efficiënt rechtdoor te gaan.

Hoe minder zwaardere isotopen in de mix, hoe beter de warmtegeleiding, berekenden de natuurkundigen. Uit Aksamija’s onderzoek blijkt dat nanodraden van bijna puur silicium-28 een warmtegeleiding halen van wel 10 watt per meter-kelvin. Even dikke draden van natuurlijk silicium, met 92 procent silicium-28 en 8 procent van de zwaardere varianten, voeren maar 6 watt per meter-kelvin af.

“Het is spannend dat we in dit onderzoek twee effecten zien”, zegt de onderzoeker. “In gezuiverd silicium komen fononen niet alleen minder obstakels tegen, ze schuren daardoor ook minder vaak tegen de remmende laag siliciumoxide die je altijd hebt aan de buitenwand van de draad. Dubbel winst dus.”

Peperduur

Goed nieuws dus, maar hoe kom je eraan? Dankzij goede connecties konden de onderzoekers de hand leggen op een kleine voorraad verrijkt silicium die een oud-collega tijdens de Koude Oorlog had geritseld bij een onderzoekslab in de Sovjet-Unie. Dat materiaal was gezuiverd in een gascentrifuge tot het 99,92 procent silicium-28 bevatte, met maar 0,08 procent verontreiniging.

“Silicium-28 is echt geen materiaal dat je zomaar bij Amazon bestelt”, vertelt Giordano Scappucci bij QuTech aan de TU Delft. In hun rekenelementen voor toekomstige quantumcomputers gebruikt QuTech ook verrijkt silicium-28. “Als je connecties hebt bij de juiste bedrijven, willen die dat wel voor je produceren.” QuTech haalt zijn materiaal bijvoorbeeld bij een bedrijf in West-Europa. Het is voorlopig maatwerk, want tot er een grote markt is voor quantumcomputers – of processorkoeldraden – van silicium-28, wordt het materiaal niet in bulk geproduceerd.

Tijd dus om aan te tonen dat het écht zin heeft om over te schakelen op het verrijkte spul, denkt computerkoeler Aksamija. “De volgende generatie processoren gebruikt al silicium koeldraden zoals in ons onderzoek. Als we die kunnen vervangen door ons materiaal om zo de warmtegeleiding binnenin de transistoren te verbeteren, waar de meeste warmte ontstaat, gaat er minder energie verloren én schakelen de transistoren sneller. Dat is win-win.” Langer YouTuben met minder energie? Kom maar op!

Bronnen: Physical Review Letters, Lawrence Berkeley National Laboratory

Beeld: Yuichiro Chino/ Getty Images

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK! 



Podcast KIJK en luister via JUKE







Meer Nieuws

NIEUW!

Haal nu het extra dikke zomernummer in huis