چرا عملکرد تراشه ها با افزایش دما بدتر می شود؟

گرم شدن بیش از حد تراشه می تواند مشکلات زیادی ایجاد کند. اولاً، دمای بالا می تواند باعث انبساط حرارتی قطعات الکترونیکی در داخل تراشه شود که ممکن است فاصله بین قطعات الکترونیکی را تغییر دهد و منجر به مشکلات انتقال سیگنال شود. ثانیاً، دمای بیش از حد می تواند مقاومت اجزای الکترونیکی داخل تراشه را افزایش دهد، مانع انتقال جریان شود و بر عملکرد طبیعی تراشه تأثیر بگذارد. علاوه بر این، گرمای بیش از حد تراشه همچنین ممکن است باعث بازپخت یا تخریب قطعات الکترونیکی شود و به عملکرد تراشه آسیب بیشتری وارد کند. بنابراین، حفظ دمای تراشه در محدوده ایمن بسیار مهم است.

عملکرد تراشه ها تحت تأثیر دما قرار می گیرد و کاهش می یابد که عمدتاً به دلیل کاهش تحرک الکترون ناشی از دمای بالا، افزایش نویز داخلی دستگاه و آسیب به ریزساختار و قابلیت اطمینان ناشی از انبساط حرارتی است. به عنوان مثال، کاهش تحرک الکترون ها می تواند حرکت الکترون ها را در یک تراشه کند کند که به طور مستقیم سرعت انتقال سیگنال را کاهش می دهد و در نتیجه بر توانایی تراشه برای پردازش داده ها تأثیر می گذارد. هنگام طراحی تراشه ها، محدوده دمای عملیاتی مشخص شده در نظر گرفته شد و فراتر از این محدوده می تواند منجر به کاهش قابل توجهی در عملکرد پردازش شود.

در شرایط دمایی بالا، ارتعاشات شبکه افزایش می‌یابد که منجر به کاهش برهم‌کنش بین الکترون‌ها و شبکه می‌شود و تحرک الکترون را کاهش می‌دهد و تحرک را کاهش می‌دهد. این می تواند منجر به سرعت انتقال سیگنال کندتر شود و در نتیجه بر سرعت پردازنده و قدرت محاسباتی تأثیر بگذارد. کاهش تحرک الکترون به ویژه در طول عملیات با فرکانس بالا قابل توجه است. سرعت سوئیچینگ ترانزیستورها در تراشه محدود است و نمی تواند به فرکانس مورد انتظار برسد و در نتیجه قابلیت پردازش مختل می شود. نتیجه این است که هنگام پردازش مقادیر زیادی از داده ها یا تکمیل وظایف محاسباتی پیچیده، زمان پاسخ تراشه طولانی تر می شود و راندمان پردازش کاهش می یابد.

هنگامی که تراشه در دمای بالا کار می کند، نویز حرارتی به طور قابل توجهی افزایش می یابد. نویز حرارتی توسط حرکت تصادفی حامل های بار تحریک شده توسط انرژی حرارتی ایجاد می شود که می تواند باعث اعوجاج و تداخل سیگنال شود و دقت و پایداری سیگنال را کاهش دهد. نویز افزایش یافته نه تنها در فرآیند پردازش سیگنال اختلال ایجاد می کند، بلکه ممکن است منجر به ایجاد اختلال در سیگنال شود. خطاهای داده، در نتیجه کارایی و دقت پردازنده را کاهش می دهد. در کاربردهایی که برای انتقال داده و پردازش سیگنال به دقت بالایی نیاز است، کنترل دما از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

دمای بالا همچنین می تواند روند پیری مواد در تراشه ها را تسریع کند و بر قابلیت اطمینان طولانی مدت آنها تأثیر بگذارد. به عنوان مثال، اکسید گیت ترانزیستور ممکن است به دلیل دماهای بالا نقص بیشتری ایجاد کند و ویژگی های عایق آن را کاهش دهد و باعث نشت یا خرابی شود. علاوه بر این، تنش حرارتی ناشی از چرخه اختلاف دما می تواند پیری ترانزیستورها، اتصالات داخلی و مواد بسته بندی را تسریع کند که بدون شک عمر مفید تراشه ها را کوتاه می کند. قابلیت اطمینان تراشه هایی که به طور مداوم در دماهای بالا کار می کنند به طور قابل توجهی کاهش می یابد، بنابراین اقدامات مدیریت حرارتی سختگیرانه برای حفظ عملکرد و افزایش طول عمر مورد نیاز است.

تأثیر دما بر عملکرد تراشه چند وجهی است و هر جنبه تا حدی باعث کاهش کارایی و پایداری عملکرد تراشه خواهد شد. سیستم خنک کننده و مدیریت حرارتی تراشه ها برای اطمینان از عملکرد بالا و عملکرد پایدار دستگاه های محاسباتی بسیار مهم است. بنابراین، هنگام طراحی دستگاه های محاسباتی و الکترونیکی با کارایی بالا، راه حل های حرارتی کارآمد باید برای جلوگیری از تخریب عملکرد یا حتی آسیب دستگاه ناشی از گرمای بیش از حد گنجانده شود.