Chipy mogą pozyskiwać własną energię za pomocą nowo utworzonego stopu. To może być rewolucja

Urządzenia elektroniczne, począwszy od naszych telefonów komórkowych po centra danych, pochłaniają pokaźne ilości energii. Jednym z rozwiązań tego problemu mogłoby być bezpośrednie wykorzystanie ich ciepła w celu stworzenia techniki gromadzenia energii w chipie. Problem polega na tym, że żaden z nielicznych materiałów, które to umożliwiają, nie jest zgodny z obecną technologią stosowaną w zakładach produkujących półprzewodniki. Teraz naukowcy z całej Europy stworzyli stop germanu i cyny, który może przekształcać ciepło odpadowe procesorów komputerowych z powrotem w energię elektryczną.

W ramach europejskiej współpracy badawczej stworzono nowy stop krzemu, germanu i cyny, który może przekształcać ciepło odpadowe z procesorów komputerowych z powrotem w energię elektryczną. To znaczący przełom w rozwoju materiałów do gromadzenia energii w chipach, co może doprowadzić do powstania bardziej energooszczędnych i zrównoważonych urządzeń elektronicznych. Zasadniczo, poprzez dodanie cyny do germanu, przewodność cieplna materiału została znacznie zmniejszona, przy jednoczesnym zachowaniu jego właściwości elektrycznych, co czyni go idealnym do zastosowań termoelektrycznych.

Badacze starali się rozwiązać problem rosnącego zużycia energii przez urządzenia elektroniczne.

Naukowcy pochodzą z Forschungszentrum Jülich i IHP – Leibniz Institute for High Performance Microelectronics w Niemczech, Uniwersytetu w Pizie, Uniwersytetu w Bolonii we Włoszech i Uniwersytetu w Leeds w Wielkiej Brytanii. Ich odkrycia trafiły na okładkę czasopisma naukowego ACS Applied Energy Materials.

Badacze starali się rozwiązać problem rosnącego zużycia energii przez urządzenia elektroniczne, z której większość jest rozpraszana do środowiska w postaci ciepła. W Europie około 1,2 eksadżuli niskotemperaturowego ciepła jest marnowane rocznie przez infrastrukturę i urządzenia IT, co mniej więcej odpowiada zużyciu energii pierwotnej w Austrii lub Rumunii.

Wydawało się, że rozwiązaniem będzie wykorzystanie ciepła o niskiej temperaturze – czyli poniżej 80°C – pochodzącego z tych urządzeń bezpośrednio do procesorów komputerowych. Problem polega na tym, że dostępnych jest bardzo niewiele materiałów umożliwiających konwersję ciepła na energię elektryczną i żaden z nich nie jest kompatybilny z obecną technologią stosowaną w zakładach produkujących półprzewodniki.

Nowy stop półprzewodnikowy, który stworzyli naukowcy, składa się ze wszystkich pierwiastków czwartej głównej grupy układu okresowego, co pozwala na łatwą integrację z procesem produkcji chipów CMOS. Integrując te stopy w chipach komputerowych na bazie krzemu, możliwe jest wykorzystanie ciepła odpadowego powstałego podczas pracy i przekształcenie go z powrotem w energię elektryczną.

„Dodanie cyny do germanu znacznie zmniejsza przewodność cieplną materiału, zachowując jednocześnie jego właściwości elektryczne, co stanowi idealne połączenie do zastosowań termoelektrycznych” – wyjaśnia dr Dan Buca, lider grupy badawczej w Forschungszentrum Jülich.

Badania te mogą również prowadzić do poprawy wydajności urządzeń. Wykorzystując właściwości stopowe pierwiastków grupy IV, obszary zastosowań rozszerzają się o termoelektrykę, fotonikę i spintronikę. Dzieje się tak dlatego, że każda technologia zapewnia unikalne możliwości: termoelektrykę do pozyskiwania energii, fotonikę do transmisji danych w oparciu o światło i spintronikę do przetwarzania magnetycznych informacji. 

Monolityczna integracja tych technologii w tym samym chipie była ambitnym, długoterminowym celem technologii opartej na krzemie z kilku powodów. Na przykład komponenty fotoniczne mogą umożliwić szybszą transmisję danych i mniejsze zużycie energii w porównaniu z tradycyjnymi interkonektami elektronicznymi. Ponadto, łącząc wiele funkcji w jednym chipie, zamiast wymagać oddzielnych chipów dla każdej technologii, można opracować bardziej kompaktowe urządzenia.