Transistor thermique : la clé pour refroidir nos puces informatiques ?

Une équipe de chercheurs américains a dévoilé un transistor thermique entièrement solide et stable, une première en son genre, qui utilise un champ électrique pour contrôler le mouvement de la chaleur d’un dispositif à semi-conducteurs. Cette avancée pourrait ouvrir de nouvelles frontières dans la gestion de la chaleur des puces informatiques et améliorer notre compréhension de la régulation de la chaleur dans le corps humain.

« Le contrôle précis de la manière dont la chaleur circule à travers les matériaux est un rêve de longue date mais insaisissable pour les physiciens et les ingénieurs », a expliqué Yongjie Hu, coauteur de l’étude et professeur de génie mécanique et aérospatial à la Samueli School of Engineering de l’UCLA. « Ce nouveau principe de conception fait un grand pas en avant, car il gère le mouvement de la chaleur avec la commutation tout ou rien d’un champ électrique, tout comme cela a été fait avec les transistors électriques pendant des décennies ».

Comment fonctionne ce dispositif ?

Le transistor thermique, qui présente un effet de champ (la modulation de la conductivité thermique d’un matériau par l’application d’un champ électrique externe) et un état solide complet (sans pièces mobiles), offre des performances élevées et une compatibilité avec les circuits intégrés dans les processus de fabrication de semi-conducteurs.

L’équipe de l’UCLA a démontré des transistors thermiques à commande électrique qui ont atteint des performances record avec une vitesse de commutation de plus de 1 mégahertz, soit 1 million de cycles par seconde. Ils ont également offert une capacité de réglage de la conductance thermique de 1300% et une performance fiable pour plus de 1 million de cycles de commutation.

Le design de l’équipe intègre l’effet de champ sur la dynamique de charge à une interface atomique pour permettre une haute performance en utilisant une puissance négligeable pour commuter et amplifier un flux de chaleur de manière continue. Dans le design de preuve de concept de l’équipe, une interface moléculaire auto-assemblée est fabriquée et agit comme un conduit pour le mouvement de la chaleur.

La commutation d’un champ électrique marche/arrêt à travers une troisième porte de terminal contrôle la résistance thermique à travers les interfaces atomiques et permet ainsi de faire passer la chaleur à travers le matériau avec précision.

Quelles sont les applications potentielles ?

Les transistors électriques sont les éléments fondamentaux de la technologie de l’information moderne. Ils ont été développés pour la première fois par Bell Labs dans les années 1940 et ont trois terminaux – une porte, une source et un évier. Lorsqu’un champ électrique est appliqué à travers la porte, il régule la façon dont l’électricité (sous forme d’électrons) se déplace à travers la puce.

Ces dispositifs à semi-conducteurs peuvent amplifier ou commuter des signaux électriques et de l’énergie. Mais comme ils continuent à réduire en taille au fil des ans, des milliards de transistors peuvent tenir sur une seule puce, ce qui génère plus de chaleur à partir du mouvement des électrons, ce qui affecte les performances de la puce.

Les dissipateurs de chaleur conventionnels attirent passivement la chaleur loin des points chauds, mais il est resté un défi de trouver un contrôle plus dynamique pour réguler activement la chaleur.

Alors qu’il y a eu des efforts pour ajuster la conductivité thermique, leurs performances ont souffert en raison de la dépendance à l’égard des pièces mobiles, des mouvements ioniques ou des composants de solution liquide. Cela a entraîné des vitesses de commutation lentes pour le mouvement de la chaleur de l’ordre de minutes ou beaucoup plus lent, créant des problèmes de fiabilité des performances ainsi que d’incompatibilité avec la fabrication de semi-conducteurs.

En synthèse

Le nouveau transistor thermique offre une solution à ces problèmes, offrant une performance élevée et une compatibilité avec les processus de fabrication de semi-conducteurs. L’étude présente une innovation technologique évolutive pour l’énergie durable dans la fabrication et la performance des puces. Le concept offre également une nouvelle façon de comprendre la gestion de la chaleur dans le corps humain.

« Au niveau très fondamental, la plateforme pourrait fournir des informations sur les mécanismes au niveau moléculaire pour les cellules vivantes », a conclu Yongjie Hu.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un transistor thermique ?

Un transistor thermique est un dispositif qui utilise un champ électrique pour contrôler le mouvement de la chaleur dans un dispositif à semi-conducteurs. Il s’agit d’une innovation qui pourrait ouvrir de nouvelles frontières dans la gestion de la chaleur des puces informatiques et améliorer notre compréhension de la régulation de la chaleur dans le corps humain.

Comment fonctionne ce transistor thermique ?

Le transistor thermique utilise l’effet de champ pour moduler la conductivité thermique d’un matériau. Dans le design de preuve de concept de l’équipe, une interface moléculaire auto-assemblée est fabriquée et agit comme un conduit pour le mouvement de la chaleur. La commutation d’un champ électrique marche/arrêt à travers une troisième porte de terminal contrôle la résistance thermique à travers les interfaces atomiques et permet ainsi de faire passer la chaleur à travers le matériau avec précision.

Quelles sont les performances de ce transistor thermique ?

Les transistors thermiques à commande électrique ont atteint des performances record avec une vitesse de commutation de plus de 1 mégahertz, soit 1 million de cycles par seconde. Ils ont également offert une capacité de réglage de la conductance thermique de 1300% et une performance fiable pour plus de 1 million de cycles de commutation.

Quels sont les défis de la gestion de la chaleur dans les puces informatiques ?

Alors que les transistors électriques continuent de réduire en taille, des milliards de transistors peuvent tenir sur une seule puce, ce qui génère plus de chaleur à partir du mouvement des électrons, ce qui affecte les performances de la puce. Les dissipateurs de chaleur conventionnels attirent passivement la chaleur loin des points chauds, mais il est resté un défi de trouver un contrôle plus dynamique pour réguler activement la chaleur.

Quelles sont les applications potentielles de ce transistor thermique ?

Outre la gestion de la chaleur dans les puces informatiques, le transistor thermique pourrait également aider à comprendre la gestion de la chaleur dans le corps humain. Au niveau très fondamental, la plateforme pourrait fournir des informations sur les mécanismes au niveau moléculaire pour les cellules vivantes.

Source : Équipe de chercheurs de l’UCLA, Science, Nov. 3, 2023

Article : « Electrically gated molecular thermal switch » – DOI: 10.1126/science.abo4297 

Légende illustration principale : Illustration d’un transistor thermique à l’état solide développé par l’UCLA et utilisant un champ électrique pour contrôler le mouvement de la chaleur. Crédit : H-Lab/UCLA