O mesmo problema de superaquecimento que afeta nossos laptops também assola servidores e centros de dados em todo o mundo — e o gerenciamento térmico está se tornando cada vez mais difícil à medida que os chips de computador ficam mais compactos e potentes.

Compreender como o calor se move através dos chips em escala microscópica é essencial para continuar a melhorar seu desempenho. Infelizmente, a maioria dos métodos para medir o fluxo de calor apresenta dificuldades com dispositivos multicamadas, como os eletrônicos que alimentam o nosso mundo moderno.

Pesquisadores do MIT demonstraram uma nova maneira de estudar como o calor se propaga em materiais multicamadas, combinando raios X que penetram múltiplas camadas com pulsos de laser para gerar calor. Os pesquisadores utilizaram a técnica para medir como o calor se move dentro de um dispositivo promissor para transistores e eletrônica flexível. 

O método era tão preciso que permitiu aos pesquisadores quantificar o efeito de um único defeito em escala micrométrica no dispositivo, revelando uma surpreendente redução de quatro vezes na capacidade do material de transferir calor naquele ponto. Eles também descobriram que o defeito fazia com que o calor se propagasse de forma desigual, movendo-se mais facilmente em uma direção do que na outra.

A equipe acredita que essa abordagem pode ajudar os pesquisadores a entender o superaquecimento em dispositivos e auxiliar as empresas no desenvolvimento de eletrônicos com maior densidade de energia para diversas aplicações, desde inteligência artificial até dispositivos vestíveis e sistemas de energia limpa.

“Os desenvolvedores de chips precisam de dispositivos que suportem o calor”, afirma Mingda Li, professor associado de ciência e engenharia nuclear no MIT e coautor correspondente de um artigo de acesso aberto sobre o trabalho publicado na Nature Communications .  “Acredito que o superaquecimento se tornou o verdadeiro gargalo no desempenho dos dispositivos. Ao realizar esses diagnósticos usando técnicas tradicionais, não era possível chegar à escala micrométrica ou nanométrica. Mas, eventualmente, eles gostariam de ir além disso para estudar os portadores de calor e entender exatamente o que causa a falha, a fim de evitar pontos quentes localizados e projetar dispositivos melhores. Esta abordagem é um passo nessa direção.”

Além de Li, o artigo conta com a colaboração dos coautores principais Thanh Nguyen PhD '24 e do pós-doutorando do MIT Chuliang Fu; do candidato a doutorado Mouyang Cheng; de Abhijatmedhi Chotrattanapituk '21, SM '26; de Denisse Córdova Carrizales SM '26; de Eunbi Rha SM '26; de Tyra Espedal '26; de Buxuan Li PhD '24; de Shivam Kajale SM '23, PhD '26; de Tongtong Liu PhD '23; de Kuan Qiao PhD '22; do professor assistente da Universidade do Texas em Austin, Zhantao Chen SM '18, PhD '22; dos pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne, Kumar Neeraj, Donald Walko e Haidan Wen; da cientista pesquisadora principal do MIT, Svetlana Boriskina; da professora associada do MIT, Deblina Sarkar; e do coautor correspondente e professor associado do MIT, Jeehwan Kim.

A criação de computadores e dispositivos eletrônicos mais potentes geralmente se resume a compactar mais transistores em uma área menor. No entanto, quanto mais próximos esses transistores estiverem uns dos outros, mais o dispositivo aquece durante o funcionamento e mais calor precisa ser dissipado.

A maioria das pessoas toma conhecimento do problema quando seus laptops superaquecem no colo. Em escala de data center, isso significa que uma enorme quantidade de energia precisa ser destinada ao resfriamento dos servidores.

A busca por projetar computadores e eletrônicos com maior densidade de energia é, portanto, uma busca por materiais que possam transportar calor com a maior eficiência possível.

Os pesquisadores têm utilizado diversos métodos para medir e modelar o fluxo de calor em materiais, mas todos apresentam limitações quando se trata de estudar arquiteturas de dispositivos reais. Um método óptico comum para estudar o calor em nível microscópico, por exemplo, é chamado de reflectância térmica no domínio do tempo.

“Como essa técnica usa óptica, ela não permite estudar diferentes camadas”, explica Kim. “Dispositivos reais têm cinco ou mais camadas. Além disso, ela fornece apenas um sinal geral, o que dificulta a visualização do transporte térmico que ocorre em camadas enterradas sob a superfície.”

Outras técnicas, como câmeras infravermelhas, não capturam pequenas alterações com uma taxa de quadros suficientemente rápida para serem úteis em pequenas escalas.

Para superar essas limitações, os pesquisadores queriam criar algo que pudesse medir a transferência de calor em nanoescala em sistemas multicamadas. Para isso, eles usaram uma técnica de análise emergente que envia pulsos de elétrons e raios X ultrarrápidos a um material e mede as mudanças de energia.

“Nos últimos anos, os pesquisadores desenvolveram o que é basicamente a fonte de raios X mais brilhante do mundo”, diz Nguyen. “Isso permite focalizar um feixe de raios X e obter uma resolução espacial incrivelmente precisa. Também é possível usar um laser para aquecer a amostra enquanto os raios X a escaneiam, mostrando como o calor se dissipa no espaço em tempo real.”

A técnica ofereceu uma visão melhor da transferência de calor porque o pulso de elétrons alimentado por laser pode capturar mudanças na tensão do material em nível atômico, enquanto os raios X podem penetrar em múltiplas camadas do material, e as medições podem ser combinadas para fornecer uma visão mais clara de como um material movimenta o calor.

“Usando técnicas de medição anteriores, em dispositivos reais, não era possível determinar o que acontecia em uma camada em comparação com outra, então você apenas media a média”, diz Fu. “Os raios X podem mostrar claramente como o calor se propaga pela interface através de sua difração.”

Os pesquisadores aplicaram sua técnica a um dispositivo de teste feito de uma camada de nitreto de gálio, que se mostrou promissora na condução eficiente de calor, sobre silício. Essa combinação de materiais vem sendo estudada há anos, mas seu desempenho térmico demonstrou deteriorar-se devido a minúsculos defeitos criados durante o processamento.

Os pesquisadores mediram uma redução de quatro vezes na dissipação de calor em uma ruga no dispositivo e uma queda de 25% na dissipação de calor em diferentes materiais, demonstrando uma perturbação no fluxo de calor maior do que a esperada.

“Quando as pessoas modelam a dissipação de calor, elas modelam cristais perfeitos sem defeitos”, diz Li. “Mas esses tipos de grandes defeitos de rugas são muito comuns em materiais 2D. Ninguém sabia ao certo quanto calor é bloqueado por essas rugas. Essas são coisas que agora podemos observar diretamente com essa técnica.”

Li afirma que um importante consórcio da indústria de semicondutores já entrou em contato para colaborar na aplicação da técnica de medição ao estudo de diferentes tipos de chips. Ele acredita que a técnica poderá ser utilizada para estudar uma ampla gama de materiais e dispositivos.

“Agora podemos passar uma corrente elétrica e incidir um raio-X sobre um dispositivo para ver como o calor se dissipa em uma escala muito pequena”, diz Kim. “Isso é algo que a indústria vem desejando há muito tempo.”

Li afirma que essa abordagem fornecerá aos pesquisadores novas informações para aprimorar o projeto de sistemas eletrônicos.

“Isso permitirá um melhor projeto térmico de sistemas eletrônicos”, diz Kim. “Mesmo com o mesmo tipo de materiais, a geometria e a forma como os materiais são dispostos são bastante complexas, então isso nos mostrará como essas diferenças impactam o fluxo térmico, fornecendo medições experimentais diretas.”

Este trabalho foi financiado, em parte, pelo Departamento de Energia dos EUA, pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA e pela Bolsa de Estudos de Destaque em Eficiência Energética da Escola de Engenharia do MIT.