二维材料给芯片装上“体温计”

来源：半导体行业观察

现代计算机处理器所依赖的半导体芯片上覆盖着数十亿个独立晶体管，每一个晶体管在高负载下都可能过热，从而导致性能急剧下降。为了解决这一问题，由宾夕法尼亚州立大学（Penn State）研究人员领导的一支团队开发出一种微型温度计，其尺寸比蚂蚁的触角还要小，可以集成到芯片上以精确追踪温度。

芯片上的超高速温度追踪

研究团队使用一种先进材料——仅由几层原子厚度构成的 二维材料（2D materials）——构建了传感器。这些传感器能够在 100纳秒 内区分极其细微的温度变化，其速度比眨眼快数百万倍。

由于传感器结构极其紧凑，许多传感器可以直接集成到同一块计算机芯片上，从而实现研究人员所称的极高效率的温度监测。该团队在 《Nature Sensors》 期刊发表的论文中详细介绍了这一成果。

论文通讯作者、宾州州立大学工程科学 Ackley 教授、工程科学与力学教授 Saptarshi Das 表示，精确监测晶体管的温度——晶体管是控制电路中电流流动的微型器件——目前是开发计算机芯片或高性能集成电路过程中最具挑战性的任务之一。

Das 说：“这些芯片在使用过程中会迅速升温，但监测温度的传感器并没有嵌入在芯片内部。研究人员一直在思考的一个关键问题是，是否可以把温度传感直接集成到芯片中，从而获得更快、更准确的读数。”

Das 解释说，要实现这一点，温度传感器必须非常小，因为传统传感器体积过大、结构笨重，无法直接集成到芯片上。

利用新型二维材料实现传感器微型化

为了将传感器缩小到仅 1平方微米（约为人类头发宽度的几千分之一）的微型温度计，研究团队使用了一种新的二维材料——双金属硫代磷酸盐（bimetallic thiophosphates），这种材料此前从未被用于热传感器。

Das 表示，这种材料具有独特性质：即使在电流作用下，离子仍然能够有效移动。这一特性使得传感器即使在极小尺寸下也能表现出明显的温度依赖性。这意味着材料的物理特性能够随着温度升高或降低而动态变化。

Das 说：“我的研究团队长期研究二维材料，因为宾州州立大学在这一研究领域被认为处于领先地位。”

“我们发现，通过使用这种材料类别，可以开发出非常快速、低功耗、且高度微型化的热传感器，从而能够在单个芯片上放置大量传感器。”

微型温度计实现处理器片上温度监测

借助二维材料，研究团队将传感器做得极其紧凑，以至于单个芯片上可以集成数千个传感器。例如，在显微镜下观察放置在电脑显示器上的芯片时，可以看到芯片表面分布着大量传感器阵列。

图片来源：Jaydyn Isiminger / Penn State

论文第一作者、工程科学博士生 Dipanjan Sen 表示，这种二维材料能够将 离子和电子的传输“耦合”在一起。这两种亚原子粒子在能量传递过程中扮演着不同角色。

虽然改善电子流动可以使设备性能更强，但在系统中更好地调控离子则有助于提升热管理与温度监测能力，因为离子对热量尤其敏感。

这种耦合机制使微型传感器能够利用 与芯片相同的电流 来运行，因此既能提供极其灵敏的温度读数，又不会对芯片性能产生明显影响。Das 表示，认识到这种关系是将传感器直接集成到芯片上的关键。

Das 说：“在晶体管中通常被行业视为不利因素的东西，在热传感领域却恰恰非常有用，因此我们在设计中刻意利用了这一点。”

“我们不是试图从系统中去除这些离子，而是将其转化为优势。利用离子进行温度感测，再利用电子读取这些热数据，使我们能够实现一种 极其精确且紧凑的器件。”

每个芯片可制造数千个传感器

研究团队利用材料研究所纳米制造实验室的先进设备制造这些传感器，并将 数千个传感器 集成到单个计算机芯片上。

与目前领先的传感器设计相比，该传感器 尺寸缩小超过100倍；同时，由于不需要额外电路或信号转换器，它的能耗比传统硅基系统 最高可降低80%。

Das 表示，这些传感器未来有望与现有技术结合，从而提升计算机的效率与稳定性。接下来，研究团队将继续推进开发，并探索二维材料在传感器设计中的更多应用机会。

Das 指出，这项研究还可以成为一个框架，用于开发未来能够测量 化学、光学或物理信息 的新型微型传感器。

Das 说：“这是一项概念验证研究，证明这种设计是可行的——它可以实现微型化、低功耗，并可能成为将温度监测直接集成到芯片中的下一步。”

https://techxplore.com/news/2026-03-tiny-thermometers-chip-temperature-processors.html

（来源：techxplore）