晶体管太热了，怎么降温？

液氮的沸腾温度仅为 77 开尔文 (-196 °C)。将电子设备冷却到如此寒冷的温度可以提高性能，但当今的晶体管在设计时并未考虑低温。在12月初于旧金山举行的2023 年IEEE 国际电子器件会议(IEDM) 上，IBM研究人员展示了首款针对液氮冷却进行优化的先进CMOS晶体管。

纳米片晶体管将沟道分成一堆薄硅片，这些薄硅片完全被栅极包围。IBM 高级研究员Ruqiang Bao表示：“纳米片器件架构使我们能够在指甲盖大小的空间内安装 500 亿个晶体管。” 这些晶体管有望取代当前的 FinFET 技术，并用于 IBM 首款 2 纳米原型处理器。纳米片技术是缩小逻辑器件尺寸的下一步；该技术与液氮冷却相结合可能会带来更好的性能。

研究人员发现，与在大约 300 K的室温条件下运行相比，在 77 K下运行的器件性能提高了一倍。Bao 表示，低温系统具有两个关键优势：载流子散射更少和功耗更低。减少散射可以降低电线中的电阻，让电子更快地穿过设备。结合较低的功率，设备可以在给定电压下驱动更高的电流。

将晶体管冷却至77 K还可以提高器件“开”和“关”位置之间的灵敏度，从一种状态切换到另一种状态所需的电压变化更小。这可以显着降低功耗。反过来，降低电源电压可以通过减小晶体管宽度来帮助缩小芯片尺寸。然而，晶体管的阈值电压（在源极和漏极之间创建导电沟道或切换到“导通”位置所需的电压）随着温度降低而增加，这是一个关键挑战。

以当今的制造技术很难降低阈值电压，因此 IBM 研究人员选择了一种集成两种不同金属栅极和双偶极子的新方法。CMOS 技术由成对的n型和p型晶体管组成，它们分别掺杂有电子施主和受主。研究人员设计了他们的 CMOS 芯片，通过向每个晶体管添加不同的金属杂质，在n型和p型晶体管的界面上形成偶极子。这种添加降低了电子穿过能带边缘所需的能量，从而形成更高效的晶体管。

为了给CPU降温，英特尔也操碎了心。

TomsHardware报道，英特尔并不仅仅满足于浸没式液冷散热，其开发人员正在研究新颖的解决方案，将下一代芯片的散热水平提升至2000W的级别。目前英特尔正寻找“新的材料和结构”，与其他创新的散热技术公司展开密切的合作，以提供更好的散热技术，开发“类似科幻小说”的散热解决方案。

据报道，英特尔其中一个新的散热解决方案是基于3D均热板，在充满液体的密封扁平金属内，利用最小的空间和改进的沸腾增强涂层来分散沸腾能力。研究表明，内部具有凹槽状特征的珊瑚状散热器设计，在浸没式液冷散热的外部传热系数方面潜力最大。英特尔设想这些超低热阻的3D均热板，集成在使用增材制造技术制造的珊瑚状浸没式液冷散热器内。

英特尔寻找另一种方法是使用流体喷射器阵列来冷却最高功率的设备，由人工智能调节，可以在芯片的热点上喷射冷夜以去除热量。英特尔的散热技术不完全是为了提高效率和节约能源，新的散热技术可以让芯片在更低的温度下运行，从而在相同功率下提高5%至7%的性能。

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