Northrop Grumman получила $7 млн от DARPA на «алмазные» чипы: новая система охлаждения увеличит мощность в 10 раз

Американская военно-промышленная корпорация Northrop Grumman заключила контракт с оборонным агентством DARPA на сумму $7 млн в рамках второй фазы программы THREADS. Проект направлен на создание радиочастотных полупроводников нового поколения с интегрированным алмазным теплоотводом, способных работать при экстремальных нагрузках в радарах, комплексах радиоэлектронной борьбы (РЭБ) и спутниковой связи.

Выращивание алмазов внутри микроканалов транзистора

Современные высокомощные радиочастотные транзисторы на базе нитрида галлия (GaN) выделяют колоссальное количество тепловой энергии на микроскопической площади. Из-за риска термической деградации кристаллов военные системы зачастую вынуждены работать существенно ниже своего физического предела.

Вместо установки стандартных внешних радиаторов инженеры Northrop Grumman совместно со специалистами Стэнфордского университета разработали технологию прямого теплоотвода:

• на обратной стороне полупроводниковой пластины вытравливаются микроскопические каналы;
• непосредственно внутри этих структур синтезируется поликристаллический алмазный слой;
• теплопроводность алмаза при комнатной температуре примерно в 5 раз превосходит медь, благодаря чему тепло отводится от затворов транзисторов мгновенно в точке его возникновения.

Результаты первой фазы и цель 81 Вт/мм

Как сообщается в официальном пресс-релизе Northrop Grumman, в ходе испытаний первого этапа (Phase I) интеграция алмазных микроструктур позволила повысить плотность радиочастотной мощности в 3,3 раза. На втором этапе компания намерена утроить этот показатель, добившись суммарного десятикратного прироста мощности относительно традиционных кремниевых и GaN-решений без увеличения физических габаритов чипа.

По данным агентства DARPA, программа THREADS (Technologies for Heat Removal in Electronics at the Device Scale) нацелена на достижение удельной плотности мощности до 81 Вт на миллиметр ширины затвора в усилителях X-диапазона и восьмикратное снижение теплового сопротивления. По расчётам военных инженеров, такой скачок эффективности передатчиков позволит практически удвоить радиус действия бортовых радиолокационных станций.

Сферы применения: от радаров до спутников

В технической документации программы DARPA THREADS выделены ключевые направления внедрения алмазных микросхем:

• активные фазированные антенные решетки (АФАР) для истребителей и систем ПВО;
• мощные приемопередающие модули систем спутниковой связи в космосе;
• комплексы направленных радиопомех.

В компании отмечают, что опытные алмазные защитные элементы для приемников уже выдержали пиковую нагрузку свыше 100 Вт, что вдвое превышает предел существующих промышленных ограничителей мощности.

Northrop Grumman инвестирует в разработку алмазной микроэлектроники с 2019 года и развивает технологию по модели открытого производственного доступа (open access), предоставляя литографические мощности другим американским оборонным подрядчикам. В перспективе подобные наноалмазные теплоотводы могут найти применение и в гражданском секторе — в частности, для охлаждения кремниевых кристаллов серверных процессоров и ускорителей вычислений для искусственного интеллекта.