Los cables de cobre recubiertos de grafeno podrían acelerar drásticamente los procesadores futuros y reducir el consumo de energía

Copphene

Desde que fue descubierto, los científicos han soñado con utilizar el grafeno como componente semiconductor clave. En general, estos esfuerzos se han visto frustrados gracias a la dificultad para cultivar grafeno en grandes cantidades y su falta de banda prohibida: con el grafeno, el desafío es lograr que detener conduciendo para apagar un circuito. Sin embargo, una nueva investigación en Stanford sugiere una aplicación interesante para el material que no depende de su adaptación para cambiar algunas de sus características más fundamentales. Los alambres de cobre recubiertos de grafeno tienen un rendimiento significativamente mejor que los alambres de cobre estándar enfundados en nitruro de tantalio, y el rendimiento aumenta en realidad aumenta a medida que los cables se hacen más pequeños.

La mecánica perversa del escalado de cables

Cuando la industria de los semiconductores habla de nodos de proceso, generalmente se asume que pasar a una nueva geometría de proceso más pequeña es algo bueno. Esto sigue siendo cierto incluso hoy en día: empresas como Intel, TSMC, Samsung y GlobalFoundries deben trabajar mucho más para garantizar resultados positivos cuando se mueven a nuevas geometrías, pero el efecto neto sigue siendo positivo según ciertas métricas. Esta tendencia general no no es válido para los cables de cobre.

El problema es este: hacer un cable más pequeño significa que está reduciendo la cantidad de metal disponible para que fluyan los electrones. Imagínese dos tuberías, una con un pie de diámetro y otra con 10 pies de diámetro. A cualquier caudal (medido en galones por minuto), debe mover el agua a través de la tubería más pequeña a una velocidad mayor en comparación con la más grande. Esto aumenta tanto la fricción dentro de la tubería como la turbulencia del agua que fluye a través de ella. En un cable, empujando la misma cantidad de corriente que un cable pequeño aumenta la resistencia (y el exceso de calor) en comparación con un cable más grande. (Gracias al lector Sean T por afinar mi analogía original del flujo de agua).



Alambre de cobre

Aquí es donde La investigación de Stanford entra en. La razón por la que los alambres de cobre se envuelven tradicionalmente en nitruro de tantalio es para asegurar que el cobre no migre al área circundante del chip. Uno de los hallazgos del equipo fue que la capa de nitruro de tantalio es aproximadamente 8 veces más gruesa que una capa equivalente de grafeno que realiza la misma función. Eso es importante en sí mismo, ya que permite que los alambres se hagan más delgados en general sin cambiar realmente la cantidad de cobre (piense en esto como hacer una tubería de agua más delgada al reducir el diámetro exterior pero dejar el diámetro interior sin cambios.

La segunda y posiblemente más importante razón es que el grafeno actúa efectivamente como una vía de conducción secundaria para el propio cobre. Hoy en día, el efecto es relativamente modesto: el revestimiento de cables de cobre en grafeno aumenta la velocidad entre un 4 y un 17%, dependiendo de la longitud del cable. En futuros chips, sin embargo, los beneficios podrían ser más significativos: los cables podrían ser hasta un 30% más rápidos y, al mismo tiempo, escalar a tamaños más pequeños. Debido a que los retrasos de los cables se han convertido en uno de los limitadores de rendimiento más importantes en los diseños de semiconductores modernos, el aumento de la velocidad del cable de cobre podría mejorar múltiples aspectos del diseño de chips y el consumo de energía.

Soy más optimista sobre este uso del grafeno en comparación con su uso en semiconductores. Usar grafeno en semiconductores requiere cambiar algunas de las propiedades fundamentales del material o cambiarlo todo sobre cómo construimos semiconductores. La única mosca en la pomada será la producción en masa. Los investigadores hablan de hacer crecer las capas de grafeno directamente alrededor del cable, pero el grafeno ha demostrado ser extremadamente difícil de crear en volumen. Hasta que resolvamos ese problema en particular, no construiremos nada con grafeno en cantidades significativas.

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