据外媒报道，为了向更强大、更高效的计算机芯片迈进，弗吉尼亚大学（University of Virginia）的研究人员证实了控制金属薄膜热流的关键原理，这也是设计更快、更小和更高效设备的关键要素。这项研究成果发表在期刊《自然通讯》（Nature Communications）上，为了解下一代芯片中所用金属的导热性能提供了突破性进展，从而为曾经被认为无法实现的技术进步开辟了可能性。

图片来源：《Nature Communications》

该研究首席研究员、机械与航空航天工程博士生Md. Rafiqul Islam表示：“随着设备的不断缩小，控制热量变得至关重要，以高端游戏机或人工智能驱动的数据中心为例，持续的大功率处理往往会导致热瓶颈。我们的研究成果通过优化铜等超薄金属的热量流动方式来为缓解这些问题提供思路。”

纳米级热量

铜因其出色的导电性能而被广泛使用，但随着设备尺寸缩小到纳米级，铜的导电性能也面临着重大挑战。在如此小的尺寸下，即使是最好的材料也会因热量增加而导致性能下降，这种现象在铜中会放大，导致电导率和效率降低。

为了解决这个问题，弗吉尼亚大学研究团队重点研究了热科学中的一个关键要素，即马西森定则（Matthiessen's rule），研究人员在超薄铜膜中验证了这一原理。该规则传统上有助于预测不同的散射过程如何影响电子流，但直到现在才在纳米级材料中得到彻底证实。

该研究团队使用一种称为稳态热反射（SSTR）的新方法测量了铜的热导率，并将其与电阻率数据进行了交叉验证。这种直接比较表明，当使用特定参数时，马西森定则能够可靠地描述热量在纳米级厚度铜膜中的传播方式。

更冷、更快和更小的芯片

为什么该研究成果很重要？在超大规模集成电路（VLSI）技术领域，电路被封装在极其紧凑的空间中，有效的热管理可以直接提高性能。这项研究不仅预示着未来我们的设备运行温度更低，而且有望减少热量损失，这正是可持续技术亟待解决的问题之一。

通过证实马西森定则即使在纳米尺寸上也能成立，该研究团队为改进先进计算机芯片中互连电路的材料铺平了道路，为制造商可以依赖的材料行为设定了标准。

Isam的顾问、Whitney Stone工程教授Patrick E. Hopkins表示：“我们可以把它看作是一个路线图。随着这一规则的验证，芯片设计人员现在有了一个值得信赖的指南来预测和控制微小铜膜中的热态。这将改变制造芯片的游戏规则，使芯片能够满足未来技术能源和性能的要求。”

面向未来电子的合作

这项研究的成功代表了弗吉尼亚大学、英特尔（Intel）和半导体研究公司之间的合作，彰显了学术界与产业界合作的力量。这项研究成果有望在下一代CMOS技术（现代电子技术的支柱）的发展中得到重大应用。CMOS，即互补金属氧化物半导体，是构建集成电路的标准技术，用于运行从计算机和手机到汽车和医疗设备等一切设备。

通过将实验见解与先进建模相结合，弗吉尼亚大学研究人员打开了一扇通往材料的大门，这些材料不仅可以驱动更高效的设备，而且有可能为整个行业节约大量能源。在一个温度控制非常重要的领域，这些见解标志着电子行业向前迈出了重要的一步，使未来更冷、更快和更可持续的设备比以往任何时候都更容易实现。