I transistor termici che potrebbero rivoluzionare il raffreddamento dei chip
Dagli smartphone ai supercomputer, l’elettronica ha un problema di dissipazione del calore, tanto che più della metà dell’elettricità totale bruciata nei data center statunitensi non viene utilizzata per l’elaborazione ma per il raffreddamento. Inoltre, molte nuove tecnologie, come i sistemi di energia rinnovabile, non riescono a raggiungere il loro pieno potenziale proprio a causa del calore che riduce le prestazioni, l’affidabilità e la longevità del dispositivo.
“Il calore è molto difficile da gestire”, afferma Yongjie Hu, fisico e ingegnere meccanico dell’Università della California, Los Angeles. “Controllare il flusso di calore è stato a lungo un sogno per fisici e ingegneri, ma è rimasto tale”. Hu e i suoi colleghi potrebbero però aver trovato una soluzione. Come riportato lo scorso novembre su Science, il suo team ha sviluppato un nuovo tipo di transistor in grado di controllare con precisione il flusso di calore sfruttando la chimica di base del legame atomico a livello di singola molecola. Questi transistor termici saranno probabilmente un componente centrale dei circuiti futuri e lavoreranno in tandem con i transistor elettrici. Secondo Hu, il nuovo dispositivo è già accessibile, scalabile e compatibile con le attuali pratiche di produzione industriale e potrebbe presto essere incorporato nella produzione di batterie agli ioni di litio, motori a combustione, sistemi di semiconduttori (come i chip dei computer) e altro ancora.
“Questa invenzione rappresenta una svolta rivoluzionaria con immense applicazioni pratiche”, afferma Hu. “In parole povere, prima d’ora non esisteva un modo per controllare con precisione il calore”.
I transistor elettrici sono una componente fondamentale di tutta l’elettronica e si comportano come interruttori: sono costituiti da due terminali attraverso i quali scorre l’elettricità, più un terzo terminale che controlla il flusso. Oggi è possibile comprimere miliardi di transistor in un singolo chip e, se da un lato questa miniaturizzazione ha aumentato esponenzialmente la potenza di calcolo, dall’altro ha reso ancora più difficile gestire il calore in eccesso.
Con la giusta tecnologia, però, il calore sprecato non solo potrebbe essere catturato per evitare danni al chip, ma potrebbe anche essere sfruttato e riutilizzato. Negli ultimi due decenni, gruppi di ricerca come quello di Hu hanno cercato di inaugurare questo futuro sviluppando transistor termici per controllare il flusso di calore con la stessa precisione con cui i transistor elettrici controllano le correnti elettriche. Tuttavia, i precedenti progetti di transistor termici si basavano spesso su parti mobili poco maneggevoli che rallentavano i tempi di elaborazione, ma anche altri problemi strutturali hanno causato il fallimento di questi dispositivi. “C’è stato molto interesse, ma nessuno di questi tentativi passati ha avuto successo”, continua Hu.
Per aggirare queste limitazioni, Hu e i suoi colleghi hanno impiegato un decennio per sviluppare un approccio completamente nuovo alla costruzione di un transistor termico. La loro tecnica sfrutta i legami che si formano tra gli atomi in un canale su scala nanometrica del nuovo transistor. Gli atomi legati sono tenuti insieme dalla condivisione dei loro elettroni e il modo in cui questi elettroni sono distribuiti tra loro influenza la forza dei legami. Questo, a sua volta, influenza la quantità di calore che può passare attraverso gli atomi.
Hu e i suoi colleghi hanno scoperto di poter manipolare queste variabili utilizzando un elettrodo su scala nanometrica che applica un campo elettrico per controllare con precisione il movimento del calore. Analogamente a un transistor elettrico, il nuovo transistor termico è costituito da due terminali tra i quali scorre il calore e da un terzo che controlla questo flusso e ciò porta a importanti cambiamenti nella conduttività termica, consentendo un controllo preciso del movimento del calore. In tal modo il calore può ora essere manipolato per molte applicazioni in base alle più svariate esigenze, come la prevenzione del surriscaldamento dei computer e persino il recupero di questa energia (fino a oggi sprecata) per riutilizzarla.
Il nuovo transistor ha stabilito dei record e ha ottenuto prestazioni migliori di diversi ordini di grandezza negli esperimenti del team rispetto ad altri transistor termici di recente progettazione che non utilizzano il legame a livello atomico. Il suo design ha addirittura permesso un calo drastico dei picchi di calore del 1.300% mantenendo un’elevata affidabilità.
Prima che il nuovo transistor possa “cambiare il mondo”, è però necessario un ulteriore lavoro come la creazione di circuiti elettronici-termici completamente ibridi, che richiederà l’integrazione dei nuovi circuiti di controllo del calore con quelli elettrici esistenti. In ogni caso Hu e il suo team stanno già sperimentando la struttura e i materiali del transistor per migliorarne ulteriormente le prestazioni e aumentando i casi d’uso possibili come nel caso di applicazioni mediche.
Il team di Hu sta infatti collaborando con alcuni oncologi per verificare se i transistor termici potrebbero far progredire un tipo di trattamento del cancro chiamato terapia di ipertermia, che utilizza particelle magnetiche per fornire livelli letali di calore alle cellule maligne. Hu sostiene che i transistor termici potrebbero essere incorporati in sonde o nanoparticelle per fornire agli oncologi un controllo preciso sul riscaldamento, che garantirebbe meglio l’annientamento delle cellule tumorali e il risparmio di quelle sane.
Così come l’invenzione del transistor elettrico ha dato il via a un’ondata di innovazioni che ha inaugurato l’attuale era tecnologica, Hu prevede che anche i transistor termici potrebbero portare a scoperte oggi impossibili da immaginare. “Questa invenzione apre enormi opportunità nella gestione del calore e in nuovi paradigmi informatici. I transistor termici sono una porta verso il futuro”.
