La ricerca sui materiali compie un passo in avanti che potrebbe avere conseguenze importanti per l’industria dei semiconduttori. Un gruppo di ricercatori della UCLA Samueli School of Engineering e della Tohoku University ha infatti realizzato un cristallo singolo di nitruro di tantalio (TaN) in fase theta, un materiale in grado di raggiungere una conduttività termica di circa 1.100 W/mK, quasi tre volte superiore a quella del rame, che si attesta intorno ai 400 W/mK. Il risultato, pubblicato sulla rivista Science, mette fine a un primato che il rame deteneva da oltre un secolo tra i metalli e offre una nuova soluzione per affrontare uno dei principali limiti dell’hardware dedicato all’intelligenza artificiale: la dissipazione del calore.
Come il TaN theta cambia il raffreddamento dei chip AI
Il nuovo materiale potrebbe rappresentare una svolta per il raffreddamento dei chip destinati all’intelligenza artificiale, dove l’aumento delle prestazioni comporta una crescita costante della potenza dissipata. Nei moderni data center, gli acceleratori AI stanno infatti portando la potenza dei rack verso i 300 kW, rendendo la gestione del calore un elemento sempre più critico.
In questo contesto, il TaN in fase theta offre un vantaggio significativo. Grazie alla sua elevata conduttività termica, il materiale potrebbe essere impiegato come strato intermedio tra il chip e il dissipatore, favorendo un trasferimento del calore molto più rapido rispetto alle soluzioni oggi basate sul rame.
Un altro elemento rilevante è la compatibilità con i processi produttivi già utilizzati nell’industria dei semiconduttori. Il nitruro di tantalio è infatti già impiegato come barriera di diffusione nelle interconnessioni in rame, rendendo più semplice un’eventuale integrazione nelle future linee produttive.
Una sintesi che supera ostacoli considerati insormontabili
Ottenere questo materiale non è stato semplice. La fase theta del TaN era conosciuta teoricamente fin dagli anni Cinquanta, ma richiedeva condizioni estreme, con temperature di migliaia di gradi e pressioni dell’ordine dei gigapascal, che rendevano impossibile produrre cristalli di elevata qualità. I tentativi precedenti avevano infatti portato soltanto alla formazione di polveri policristalline ricche di difetti.
Il team di ricerca ha invece sviluppato un processo innovativo basato su una reazione di metatesi assistita da flusso, utilizzando sodio metallico sia come agente riducente sia come materiale di supporto. Questo approccio ha consentito di convertire direttamente l’ossido di tantalio in cristalli singoli di TaN, con dimensioni comprese tra 10 e 100 micrometri e un’elevata purezza cristallina.
Le proprietà del materiale sono state successivamente confermate attraverso diverse tecniche di caratterizzazione, tra cui spettroscopia Raman, diffrazione a raggi X su cristallo singolo, HRTEM ed EELS, che hanno verificato la qualità della struttura ottenuta.
Perché conduce il calore meglio del rame
Il comportamento del nuovo materiale dipende dalla sua particolare struttura atomica. Mentre il rame trasferisce il calore principalmente attraverso gli elettroni, subendo perdite dovute alle interazioni tra elettroni e fononi, il TaN theta presenta interazioni fonone-fonone estremamente deboli e un accoppiamento minimo tra elettroni e fononi, riducendo drasticamente i fenomeni di dispersione del calore.
A questo si aggiunge un’altra caratteristica peculiare: il tantalio naturale è composto per il 99,988% dall’isotopo 181Ta, una quasi totale uniformità isotopica che elimina gran parte delle perdite normalmente causate dal disordine della massa atomica nei materiali. Il risultato è una struttura cristallina che permette al calore di propagarsi con un’efficienza molto vicina al limite teorico raggiungibile da un metallo.
Le possibili applicazioni e i prossimi sviluppi
Le applicazioni più immediate riguardano il packaging dei chip AI, dove il TaN theta potrebbe sostituire o affiancare gli attuali diffusori di calore. Rispetto ai film di diamante CVD, che offrono una conduttività ancora superiore ma risultano costosi, isolanti elettricamente e difficili da lavorare, il nuovo materiale unisce elevata conduttività termica, conducibilità elettrica e compatibilità con i processi metallici esistenti.
La ricerca apre inoltre la strada allo sviluppo di altri composti metallici con caratteristiche simili, come nitruro di tungsteno e fosfuro di molibdeno, che potrebbero offrire prestazioni comparabili nella dissipazione del calore.
Resta comunque ancora del lavoro da svolgere prima di un impiego commerciale. I ricercatori sottolineano infatti che saranno necessari ulteriori studi sulla produzione su larga scala e sulla stabilità del materiale nel lungo periodo a pressione ambiente. Nonostante ciò, il risultato rappresenta la prima dimostrazione sperimentale che un metallo può superare in modo significativo il rame nella conduzione del calore, aprendo nuove prospettive per la progettazione dei sistemi destinati alla prossima generazione di hardware per l’intelligenza artificiale.
Fonte: Pandaily
