Ученые наконец изобрели схему контроля тепла, которая сохраняет электронику прохладной

Электроника - от смартфонов до суперкомпьютеров - сталкивается с проблемой нагрева. Современные компьютерные чипы страдают от микроскопических "горячих точек", плотность мощности которых превышает плотность мощности сопел ракет и даже приближается к плотности солнечного излучения. Из-за этого более половины всей электроэнергии, сжигаемой в американских центрах обработки данных, используется не для вычислений, а для охлаждения. А многие многообещающие новые технологии, такие как трехмерные чипы и системы возобновляемой энергии, не могут полностью раскрыть свой потенциал из-за неконтролируемого тепла, которое снижает производительность, надежность и долговечность устройства.

"Управлять теплом очень сложно", - говорит Юнцзе Ху, физик и инженер-механик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. "Управление тепловыми потоками давно является мечтой физиков и инженеров, но до сих пор она остается недостижимой".Но Ху и его коллеги, возможно, нашли решение. Как сообщается в ноябре прошлого года в журнале Science, его команда разработала новый тип транзистора, который может точно управлять потоком тепла, используя преимущества базовой химии атомной связи на уровне одной молекулы. Эти "тепловые транзисторы", вероятно, станут центральным компонентом будущих схем и будут работать в тандеме с электрическими транзисторами. По словам Ху, новое устройство уже доступно по цене, масштабируемо и совместимо с современными промышленными технологиями, и вскоре оно может быть использовано в производстве литий-ионных батарей, двигателей внутреннего сгорания, полупроводниковых систем (например, компьютерных чипов) и многого другого."Это изобретение представляет собой революционный прорыв с огромным практическим применением", - говорит Ху. "Проще говоря, до этого не существовало способа точного контроля тепла".Электрические транзисторы были изобретены в 1947 году и изменили мир, позволив инженерам точно управлять электричеством. Эти устройства, которые сегодня являются важнейшим компонентом практически всей электроники, работают как переключатели: они состоят из двух выводов, через которые проходит электричество, и третьего вывода, который управляет потоком. Сегодня на одном чипе можно разместить миллиарды транзисторов, и хотя эта миниатюризация экспоненциально увеличила вычислительную мощность, она также сделала борьбу с избыточным теплом еще более сложной.Однако с помощью правильной технологии можно не только улавливать тепло, чтобы предотвратить повреждение чипа, но и использовать его повторно. "Сегодня тепло в электронных схемах считается неприятностью, и его просто пытаются отвести, в то время как на самом деле его нужно использовать в работе", - говорит Алекс Цеттл, физик-экспериментатор из Калифорнийского университета в Беркли, который не принимал участия в новом исследовании. "Я подозреваю, что в будущем электронные и тепловые схемы будут работать рука об руку".В течение последних двух десятилетий исследовательские группы, такие как группа Ху, пытались открыть это будущее, разрабатывая тепловые транзисторы для управления тепловыми потоками так же точно, как электрические транзисторы управляют электрическими токами. Однако на их пути встали несколько фундаментальных проблем. Например, предыдущие конструкции термотранзисторов часто использовали громоздкие подвижные части, которые замедляли время обработки. Кроме того, структурные проблемы приводили к сбоям в работе таких устройств. "Интерес к этой области был велик, но ни одна из попыток не увенчалась успехом", - говорит Ху.