Ein Mittel gegen das Interconnect-Fieber?

Umhüllt man Kupferdrähte mit der ultradünnen Kohlenstoffvariante Graphen, leiten sie Wärme deutlich besser ab. Für die Chip-Industrie könnte das die Lösung für ein Problem sein, das durch immer kleinere Bauteile verschärft wird.

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  • Katherine Bourzac

Umhüllt man Kupferdrähte mit der ultradünnen Kohlenstoffvariante Graphen, leiten sie Wärme deutlich besser ab. Für die Chip-Industrie könnte das die Lösung für ein Problem sein, das durch immer kleinere Bauteile verschärft wird.

Wenn in der Chip-Industrie die Rede auf die Wärmeentwicklung von Prozeduren kommt, sind die Experten um drastische Worte nicht verlegen. Ein besonders schönes Beispiel Pat Gelsinger, damals CTO von Intel. 2001 warnte er, die Abwärme würde – falls der Trend sich linear fortsetze – bereits 2005 die Innentemperatur eine Kernreaktors erreichen und 2015 gar die Oberflächentemperatur der Sonne. Diese thermale Katastrophe ist dann doch nicht eingetreten. Teils, weil die Schaltgeschwindigkeiten der Prozessoren verringert wurden, teils, weil die Chiparchitektur sich mit parallel arbeitenden Multikern-Prozessoren wandelte.

Doch das Abwärmeproblem ist damit nicht vom Tisch. Mit schrumpfenden Bauteilen nimmt auch der Durchmesser der Kupferleitungen ab, die sie verbinden. Werden diese im Fachjargon „Interconnect“ genannten Leiterbahnen dünner, heizen auch sie sich im Betrieb auf.

Alexander Balandin von der University of California in Riverside und Kostya Novoselov von University of Manchester haben nun vielleicht ein Mittel gegen das „Interconnect-Fieber“ gefunden: Graphen. Die Kohlenstoffvariante, die aus ein Atom dicken Schichten besteht, ist ein fabelhafter Strom- und Wärmeleiter. Novoselov bekam für seine Arbeiten über das Material 2010 gemeinsam mit Andre Geim den Physiknobelpreis.

Graphen wird unter anderem mit Hilfe von Kupfer als Katalysator hergestellt. Balandin und Novoselov beschlossen zu überprüfen, wie eine Graphenbeschichtung die thermischen Eigenschaften von Kupfer verändert. In ihrer Versuchsanordnung war eine Kupferschicht auf beiden Seiten mit Graphen überzogen. Und siehe da: Die Fähigkeit von Kupfer, Wärme abzugeben, stieg um 25 Prozent - für Chip-Designer keine Kleinigkeit. Ihre Arbeit haben die beiden Physiker im Journal Nano Letters veröffentlicht.

Kupferoberfläche, bevor (oben) und nachdem (unten) Graphen hinzugefügt wurde.

Dabei scheint es nicht das Graphen zu sein, dass die Wärme weiterleitet, sagt Balandin. Die Kohlenstoffschicht ändert offenbar die Kristallstruktur von Kupfer. Die sorgt eigentlich dafür, dass durch sie hindurchfließende Wärme sich nicht so rasch ausbreiten kann. Graphen ändere dies, indem es die Wände zwischen verschiedenen Kristallbereichen weiter auseinanderzieht (siehe Bild), so dass Wärmeenergie besser hindurchfließen kann, sagt Balandin.

In ihren Experimenten arbeiteten die beiden Forscher mit neun Mikrometer starken, also ziemlich dicken Kupferschichten. Die Kupferleitungen in Chips sind viel dünner. Balandin geht aber davon aus, dass der Effekt auch in den Drähten auftritt. Als nächstes will er ein Graphen-Kupfer-Sandwich mit Abmessungen herstellen, die denen in Chips entsprechen.

Die Zeit drängt auch. Intel wird in diesem Jahr wohl die ersten Chips mit Transistoren vorstellen, die eine Strukturgröße von nur noch 14 Nanometern haben. Wie sich die Kupferdrähte verhalten, ist noch nicht klar. Klar ist zumindest: Unterhalb einer Dicke von zehn Nanometern sind sie nicht mehr verwendbar. „Wir haben bisher noch kein Leiterbahnenmaterial gefunden, dass unter der 10-Nanometer-Schwelle funktioniert“, sagt Saroj Nayak, Physiker am Center for Integrated Electronics am Rensselaer Polytechnic Institute im Bundesstaat New York.

Majeed Foad, Ingenieur beim kalifornischen Halbleiterausrüster Applied Materials, findet die Eigenschaften von Graphen spannend. Allerdings seien hohe Temperaturen nötig, um qualitativ hochwertiges Graphen zu erzeugen, betont Foad. Balandin und Novoselov erhitzten ihre Kupferstränge auf über 1000 Grad. Bei solchen Temperaturen würden Transistoren und andere Bauteile – erst recht in der jetzigen Miniaturisierung – beschädigt.

Balandin verweist auf Laborversuche, in denen Graphen auch bei niedrigeren Temperaturen wuchs. Dass die Chiphersteller bald auf Graphen zurückgreifen, sieht Foad jedoch nicht. „Werkstoffe zu wechseln ist ein sehr, sehr mühsamer Prozess, deshalb werden wir auch das letzte Quentchen Performance aus den jetzigen Materialien herausholen“, sagt Foad.

In der Industrie hat man aber längst eingesehen, dass es nicht mehr reicht, mehr Transistoren in Prozessoren unterzubringen und mehr Prozessoren auf einem Chip. Hochwertige Chips enthalten bereits jetzt mehrere Prozessorkerne und Kupferleitungen mit einer Gesamtlänge von 50 bis 60 Kilometern.

Noch mehr Transistoren würden die Prozessorleistung nicht mehr so steigern wie früher, sagt Jonathan Candelaria, Leiter der Interconnect-Forschung der Semiconductor Research Corporation. Die Lösung sei wohl, zu grundlegend anderen Prozessor-Architekturen überzugehen. Das Abwärmeproblem ließe sich vorerst durch ein neues Chip-Design lösen, in dem Prozessoren und Leiterbahnen anders angeordnet seien, sagt Candelaria. Damit könnte die Industrie Zeit gewinnen, um neue Materialien zu testen – auch die Graphen- Kupfer-Kombination.

Das Paper:
P. Goli et al.: "Thermal Properties of Graphene–Copper–Graphene Heterogeneous Films", Nano Letters, 20.2.2014 (Abstract) (nbo)