IBM vervangt isolatie in chips door vacuüm

IBM-onderzoekers zijn erin geslaagd de isolatielaagjes tussen de halfgeleiderverbindingen in chips te vervangen door een vacuüm. Door de ontwikkeling moeten chips zuiniger en sneller worden, met prestatieverbeteringen tot 35 procent bij energiebesparingen van 15 procent.

De vacuümtechniek waar de onderzoekers onder leiding van Dan Edelstein aan gewerkt hebben, werd 'Airgap' gedoopt en moet in 2009 al in chips gebruikt worden. De isolatietechnologie staat daarmee gepland voor een introductie gelijktijdig met het 32nm-productieproces. Met steeds kleiner wordende verbindingen, krijgen chipfabrikanten ook steeds vaker te maken met lekstroom en de bijhorende problemen, waardoor er volop gezocht wordt naar alternatieve isolatiematerialen. Hoewel er al verschillende materialen ontwikkeld zijn die vergelijkbare kenmerken hebben als een vacuüm, blijken deze in de praktijk breekbaar te zijn en zijn ze vaak niet bestand tegen de werkomstandigheden in microchips. IBM is er nu in geslaagd om vacuümruimtes in de chips te vatten door gebruik te maken van bestaande technieken.

De technologie is afgeleid van zogenaamde self-assembling molecules, vergelijkbaar met hoe de schelp van zeedieren laag per laag van binnenuit opgebouwd wordt. Met Airgap worden in eerste instantie de koperverbindingen aangebracht, waarna het tussenliggende materiaal weggehaald wordt. Vervolgens wordt een 'self-assembling molecule'-materiaal - een zogenoemd 'diblock copolymer' - aangebracht, wat tot gevolg heeft dat er verbindingen met een diameter van 20nm ontstaan. Door vervolgens dit materiaal selectief weg te etsen, ontstaat een vacuüm dat in staat moet zijn de verbindingen te isoleren.

Reacties (29)

[supergrover]

Ik vraag me af hoe dit vacuum over het verloop van jaren houdt?

Kan me niet aan de indruk ontterekken dat er wel een aantal moleculen zullen diffunderen en vervolgens op de verkeerde plek weer terecht gaan komen. Met de temperaturen die in een processor (en dan met name de hot spots) heersen zal dit toch wel een probleem zijn lijkt me. Ik ben erg benieuwd hoe ze dit oplossen.

[n4m3l355]

Ik vraag me af hoe dit functioneerd. Vergeleken met glas is het belangrijk dat de spouw zeer minimaal is om geen thermische beweging dat zal hier ook het geval zijn, echter straling wat blijft optreden bij warmte kent geen geleiding door lucht wat hier dus nog steeds opgaat. Ik vraag me dan ook af in hoeverre deze methode effectief is.

[Universal Creations]

Een spouw bevat lucht, waarin molekulen (stikstof en zuurstof met name) de warmte via stroming kunnen doorgeven. In vacuüm zitten geen molekulen, dus ook geen stroming. Straling kan overigens wel door vacuüm, denk maar aan het zonlicht. Maar het overspringen van electronen zal waarschijnlijk een stuk minder zijn dan in het normale isolatiemateriaal.

[the___butcher]

Een gas geleidt warmte doordat de moleculen die tegen de warme glasplaat aanbotsen meer energie krijgen, die ze dan weer kunnen afgeven aan de koude plaat. Of het nu een inert gas is of lucht, maakt niet uit. Inerte gassen gaan geen chemische bindingen aan, over geleiding zegt het niets.

edit:
@n4m3l355:
Bij de temperaturen die processoren bereiken overheerst warmtetransport door geleiding, straling zal niet zo'n probleem zijn.

[n4m3l355]

Wat ik dus net ook beschreef, echter het geeft geen oplossing waar bij CPU's naast geleidingswarmte nog het meeste last van zult hebben, namelijk straling. En deze methode geeft heir geen oplossing voor. Of zou als de koper ge-etst wordt deze een film maken op de behuizing die als een soort schild functioneerd? Een minimale schil van aluminium in glas doet namelijk hetzelfde en is uiterst effectief.

[Hyronymus]

Als jullie dubbelglas bedoelen: tussen de twee glaspanelen zit een inert gas, juist om te voorkomen dat het medium tussen de twee panelen kou of warmte overdraagt. Het idee achter dubbelglas is namelijk dat beide panelen een andere temperatuur kunnen hebben zónder warmteuitwisseling.

[ADT_Phantom]

Volgens mij hebben jullie het hier allemaal over warmte isolatie. De bedoeling hier lijkt mij het electrisch isoleren. Dit is zeer goed te doen met een vacuum.

[Clavius]

Gezien het feit dat er minstens nog een beschermlaagje van siliciumnitride oid overheen gaat lijkt me de kans dat er iets naar dat vacuum gaat diffunderen nihil.

[Mijzelf]

Hoewel er al verschillende materialen ontwikkeld zijn die vergelijkbare kenmerken hebben als een vacuüm

Dit vind ik echt een schitterende zin!

[Pidi]

Je haalt de woorden uit mijn mond!

Knap hè? Materialen die de kenmerken hebben van iets dat niets is.

[Countess]

vervang kenmerken door elektrische eigenschappen en de zin klopt weer perfect.

niet zo muggenziften zeg.

[buzzin]

Dus vervolgens hebben overklokkers geen exploderende processors meer, maar IMploderende

Sorry meneer, uw processor doet het niet goed meer, hij is lek

[smokeandnoise]

Maar gelukkig voor u hebben wij een plaksetje in de aanbieding..

[ocdaan]

Scheeld dat ik zelf nog een vacuum pompje in het nachtkastje heb staan

[Verwijderd]

Scheeld?

[Nas T]

en een vacuumpomp...

[g4wx3]

vacuum word vaker gebruik als onderdruk, dan dat het gebruikword als absoluut vaccum.
Verder vind ik dit een zeer eigen aardige techniek. ik probeer me het voor te stellen als brugg en viaducten bij een autoweg. Je hebt dan een deel koperleidingen die nergens op stuenen?

[fevenhuis]

U wordt duidelijk belemmert door enige verkeerschaos in uw voorstellingsvermogen, probeert u gewoonweg uw brein in een vacuüm voor te stellen, de rest volgt vanzelf.

[Rrob]

was dit een reactie op mijn post? Ik begrijp ook wel dat er geen gebruik gemaakt zal worden van een ultra hoog vacuum, en dat een theoretisch vacuum niet bestaat

Maar het is idd een vacuum, volgens de site van IBM is airgap een fout gekozen naam.

En de (koperen) banen zullen altijd ergens aan vast zitten, anders heb je er namelijk niets aan op je chip.

[Rrob]

beetje vreemd dat ze hun vacuumtechniek "airgap" (luchtgat) noemen, is het nu vacuum of lucht (of een gas naar keuze)?!

[addefinnr]

Het gaat hier om het spreekwoordelijke "gat in de lucht".

[BartS12]

Even twee opmerkingen:
- Leuk, die discussie over thermische isolatie hierboven. Maar daar gaat het helemaal niet om; het is IBM (en alle andere chipsontwerpers) op dit punt te doen om electrische isolatie. Bij zulke kleine afstanden (en dunne isolatie laagjes) gaan electronen 'tunnelen' - quantummechanica voor de liefhebbers. Kort samengevat : hoe goed je isolator ook is, electronen kunnen er dwars door heen 'lekken'. Dat is een serieus probleem. Tevens zijn de ladingen en stromen bij zulke kleine schakelingen ook zo klein, dat zelfs een paar 'weggelekte electronen' al een probleem vormen.

- De 'holtes' zijn orde grootte kennelijk 20 nanometer . Da's niet zo heel veel... Daarnaast zegt het eventueel aanwezig zijn van lucht (of vacuum) binnen een object weinig over de stevigheid aan de buitenkant. Vergelijk een lege glazen fles.

[supergrover]

Even voor de duidelijkheid, in mijn oorspronkelijke post bedoelde ik ook de electrische isolatie. Ik was alleen benieuwd naar hoe het vacuum (dat voor de electrische isolatie zorgt) stand zou houden over langere tijd en onder hoge temperaturen.

Zeker aangezien er bij de kleine afstand waar we het over hebben (20 nanometer) een moleculair bruggetje zo is gemaakt natuurlijk. Door diffundatie van atomen vanaf het oppervlak, welke ergens anders dan weer kunnen nestelen (vergelijkbaar aan sintering).

Het meest interessante hieraan vind ik het tijdsaspect. Ik denk dat de engineers het best wel voor elkaar zullen krijgen om dit op grote schaal te realiseren, maar hoe houden dit soort processoren zich over de tijd. Gaan er dan geen electrische lekkages plaatsvinden mochten er toch "bruggetjes" gevormd worden, en hoe erg is dit dan vervolgens?

[klen_ghost]

@ ocdaan
wat voor vacuum pompje en waarvoor je deze gebruikt willen we niet weten dat mag je voor je eigen houden

[Mentox]

@ Klen_Gohst, je wil het niet weten maar je staat wel te kwijlen en je geeft het idee dat je er trek in hebt? Vreemd figuur ben je

[Twixie]

Betekent wel dat men uiterst omzichtig te werk moet gaan bij het assembleren. Effen te hard met de duim op de chip drukken en je veroorzaakt zonder probleem een kortsluiting in de circuits.
Ik zie die techniek dus nog niet direct toegepast worden in expansiebordjes voor de pc-markt .

[Verwijderd]

Volgens mij gaat het niet om thermische isolatie maar electrische isolatie. Hier is een vacuum wel geschikt voor.

Thermisch gezien is het alleen maar goed wanneer de warmte verdeeld wordt en het dus ergens niet -te- heet wordt.

EDIT: Cross-post met BartS12