CPU bollenti? Abbiamo una soluzione: il silicio basato su un solo isotopo

Un nuovo materiale capace di condurre il calore il 150% meglio rispetto alle soluzioni usate attualmente nei chip potrebbe aprire scenari davvero interessanti per il futuro dell'industria dei computer. Stiamo parlando un nanofilo in silicio ultrasottile chiamato "Silicon-28" (Silicion-28) messo a punto presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (qui lo studio).

Il silicio che usiamo nei chip odierni, infatti, è un buon conduttore di elettricità ma in scala nanometrica non veicola altrettanto bene il calore. Il calore è un problema per l'elettronica in quanto non solo può causare guasti, ma riduce anche la possibilità di consumare meno e/o accrescere le prestazioni. Inoltre, impone l'uso di sistemi di raffreddamento costosi e ingombranti.

Il calore fluisce naturalmente da un oggetto caldo a un oggetto freddo, ma nel silicio questo comportamento viene ostacolato perché il materiale è composto da tre isotopi differenti: quest'ultimi presentano un egual numero di protoni ma un differente numero di neutroni nei rispettivi nuclei, cosa che ne differenzia la massa.

Immagine al microscopio elettronico a trasmissione che mostra un nanofilo di Silicio-28 rivestito con biossido di silicio (SiO2)

Il silicio naturale è formato per circa il 92% da un isotopo chiamato "Silicio-28" perché consiste di 14 protoni e altrettanti neutroni. Circa il 5% è composto da "Silicio-29" perché i neutroni sono 15. Infine, circa il 3%, è formato da "Silicio-30" dove i neutroni salgono a 16.

Poiché i fononi, le onde di vibrazione atomica che trasportano il calore, si fanno strada nella struttura cristallina del silicio, la loro direzione cambia quando si scontrano con il Silicio-29 o il Silicio-30, le cui diverse masse atomiche "confondono" i fononi, rallentandoli.

"I fononi alla fine trovano la loro strada verso l'estremità fredda per raffreddare il materiale di silicio, ma questo percorso indiretto favorisce l'accumulo di calore di scarto, che a sua volta rallenta il vostro computer", ha spiegato Joel Ager, co-autore dello studio e senior scientist della Materials Sciences Division dei Berkeley Lab's.

I ricercatori teorizzavano da tempo che dei chip composti solo da isotopi di Silicio-28 sarebbero stati in grado di superare il limite di conducibilità termico del silicio naturale, aprendo la strada a un'ulteriore miniaturizzazione dei chip. Il problema è che purificare il silicio affinché contenga un solo isotopo richiede livelli di energia elevati che pochi impianti possono fornire e ancora meno sono quelli specializzati nella produzione di isotopi commerciali.

Fortunatamente, agli inizi degli anni 2000 Ager riuscì a procurarsi da un impianto dell'ex URSS del tetrafluoruro di silicio, un gas necessario a ottenere silicio purificato isotopicamente. Quel gas venne usato per svolgere alcuni esperimenti, incluso uno studio pubblicato nel 2006 in cui riuscì a ottenere singoli cristalli di Silicio-28 che usò per dimostrare la possibilità di creare memorie quantistiche.

In seguito, dimostrò che film sottili di semiconduttori e singoli cristalli realizzati con il materiale in questione presentavano una conduttività termica superiore del 10% rispetto al silicio naturale. Il risultato, per quanto fosse un passo avanti, non giustificava i costi da affrontare per ottenere un chip basato interamente su silicio isotopicamente puro.

Ager decise di tenere da parte il materiale rimasto nel caso in cui altri scienziati ne avessero avuto bisogno in futuro e quell'occasione si è presentata circa tre anni fa, quando Junqiao Wu e Penghong Ci hanno deciso di ricercare nuovi modi per migliorare il trasferimento di calore nei chip in silicio.

Tra le strade vagliate c'era quella di usare un tipo di nanofilo chiamato Gate-All-Around Field Effect Transistor, soluzione che tra l'altro nel prossimo futuro sarà adottata in diverse forme da Intel, Samsung e TSMC per sostituire i tradizionali transistor FinFET.

Nei GAAFET i nanofili in silicio sono impilati e conducono elettricità, generando simultaneamente calore. Il trasporto del calore nei nanofili in silicio è tuttavia persino peggiore rispetto alle soluzioni attuali perché le loro superfici ruvide, che i ricercatori definiscono come le "cicatrici dei processi chimici", disperdono o "confondono" ancora di più i fononi.

I due ricercatori hanno quindi deciso di realizzare un nanofilo di Silicio-28 isotopicamente puro e per questo hanno bussato alla porta di Ager, il quale è stato più che felice di collaborare. Per prima cosa Wu e Ci hanno testato la conduttività termica di cristalli di Silicio-28 "bulk" di dimensioni pari a 1 millimetro, confrontandola con quella del silicio naturale: l'esperimento ha confermato le rilevazioni di Ager. I due hanno però deciso di fare un passo avanti.

Usando una tecnica chiamata incisione chimica, i ricercatori hanno ottenuto nanofili di silicio naturale e Silicio-28 di appena 90 nanometri di diametro e ne hanno misurato la conducibilità termica riscontrando, contro ogni previsione, un miglioramento del 150%.

L'analisi del materiale con microscopi ad alta risoluzione ha permesso di appurare che sulla superficie del nanofilo di Silicio-28 era presente uno strato di biossido di silicio, simile al vetro.

Simulazioni al computer svolte in seguito hanno chiarito che l'assenza di "difetti" isotopici (Silicio-29 e Silicio-30) impediva ai fononi di fuoriuscire in superficie, dove lo strato di biossido di silicio li avrebbe drasticamente rallentati. In questo modo i fononi sono rimasti sul "percorso corretto" all'interno del "nucleo" del nanofilo di silicio-28.

"Si è trattato di qualcosa di davvero inaspettato. Scoprire che due meccanismi separati di blocco dei fononi - la superficie rispetto agli isotopi, che in precedenza si ritenevano indipendenti l'uno dall'altro - ora funzionano sinergicamente a nostro vantaggio nella conduzione del calore è davvero sorprendente ma anche molto gratificante", ha detto Wu. "Junqiao e il team hanno scoperto un nuovo fenomeno fisico", ha aggiunto Ager.

Il prossimo passo è quello di studiare come "controllare, piuttosto che semplicemente misurare, la conduzione del calore in questi materiali", ha concluso Wu.