El grafeno ayuda a los cables de cobre a mantenerse frescos

Cuando la gente de la industria de los chips habla de los problemas térmicos en los procesadores de computadora, se pone dramática. En 2001, Pat Gelsinger, entonces vicepresidente de Intel, señaló que si las temperaturas producidas por los últimos chips seguían aumentando en su camino actual, superarían el calor de un reactor nuclear en 2005 y la superficie del sol en 2015. Afortunadamente, tal desastre térmico se evitó reduciendo la velocidad de conmutación en los microprocesadores y adoptando diseños de chips multinúcleo en los que varios procesadores se ejecutan en paralelo.

Refrescarse: Un primer plano muestra el cobre antes de que se agregue el grafeno (arriba) y después (abajo).

Ahora la industria de los semiconductores tiene otro problema térmico que resolver. A medida que los componentes del chip se encogen, el cableado de cobre que los conecta también debe encogerse. Y a medida que estos cables se vuelven más delgados, se calientan enormemente.

Se ha encontrado una posible solución a esta fiebre de interconexión en forma de grafeno, un material exótico hecho de láminas de carbono de un solo átomo de espesor que es un conductor superlativo tanto de electrones como de calor.

Los científicos de materiales ya utilizan el cobre como catalizador para cultivar grafeno para otros usos. Entonces Alejandro balandin de la Universidad de California, Riverside y Kostya Novoselov , físico de la Universidad de Manchester, Reino Unido, que ganó el Premio Nobel de Física 2010 Por su trabajo fundamental con el grafeno (ver Graphene Wins Nobel Prize), decidió dejar el grafeno en el cobre para ver cómo afectaba las propiedades térmicas del metal. En un artículo publicado en la revista Nano letras , informan que un sándwich hecho de grafeno en ambos lados de una hoja de cobre mejora la capacidad del cobre para disipar el calor en un 25 por ciento, una cifra significativa para los diseñadores de chips.

Balandin dice que el grafeno en sí no parece conducir el calor. Más bien, altera la estructura del cobre, mejorando las propiedades conductoras del metal. El calor que se mueve a través del cobre suele ser ralentizado por la estructura cristalina del metal. El grafeno cambia esta estructura, haciendo que esas paredes se separen más y permitiendo que el calor fluya más fácilmente, dice Balandin.

Los estudios se realizaron con láminas de cobre relativamente gruesas, mucho más grandes que los cables de cobre que se encuentran en los chips de computadora, pero Balandin espera que el efecto conductor de calor se observe también en los cables de cobre más delgados. Ahora está trabajando en cables de cobre y grafeno tan pequeños como los que se utilizan en los chips informáticos comerciales.

El problema es urgente. Este año, se espera que Intel anuncie productos que contienen transistores de 14 nanómetros, con interconexiones de cobre de esta escala o incluso más pequeñas. Los cables de cobre no funcionarán por debajo de los 10 nanómetros y no está claro qué funcionará. Todavía no hemos encontrado un material de interconexión que pueda funcionar más allá de los 10 nanómetros, en parte debido al sobrecalentamiento, dice Saroj Nayak , físico del Centro de Electrónica Integrada del Instituto Politécnico Rensselaer en Troy, Nueva York.

Majeed Foad, ingeniero eléctrico en Materiales aplicados , un fabricante de equipos de semiconductores con sede en Santa Clara, California, que ayuda a la compañía a rastrear la investigación de nuevos materiales, dice que las propiedades del grafeno son emocionantes, pero agrega que a medida que los componentes del chip se miniaturizan, se vuelven más sensibles a las altas temperaturas. Se necesita mucho calor para producir grafeno de buena calidad: Balandin y Novoselov calentaron sus cables a más de 1000 ° C. Foad dice que tales temperaturas degradarían los transistores y otros componentes del chip. Sin embargo, Balandin apunta a experimentos de laboratorio que demuestran que el grafeno se puede cultivar a temperaturas más bajas, al menos en el ámbito de la investigación.

Independientemente, dice Foad, los fabricantes de chips no tendrán prisa por adoptar el grafeno. Cambiar de material es muy doloroso, por lo que exprimiremos hasta la última gota de rendimiento de lo que tenemos, dice.

Está claro que simplemente meter más transistores en procesadores y poner más procesadores en chips no va a ser sostenible por mucho más tiempo. Los chips de alta gama ya contienen entre 50 y 60 kilómetros de cableado de cobre y múltiples núcleos.

Jonathan Candelaria , director de investigación de interconexiones en Semiconductor Research Corporation, un consorcio de la industria en Durham, Carolina del Norte, dice que agregar más transistores no mejora el rendimiento como solía hacerlo. De nuevo, la solución puede resultar adoptar arquitecturas fundamentalmente diferentes. Nuevas formas de diseñar y empaquetar chips podrían ayudar a resolver el problema del calor, dice Candelaria, y esto le dará a la industria tiempo para resolver problemas con nuevos materiales, tal vez incluyendo los nuevos híbridos de grafeno-cobre.

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