美國賓夕法尼亞州立大學的研究人員近期研發出一種微型的基於二維材料的溫度計，旨在直接集成到計算機芯片上。這項研究於 3 月 6 日公佈，旨在解決晶體管過熱問題，這通常會影響處理器的性能。這種「微型溫度計」的特點在於其尺寸小於螞蟻的觸角，能夠精確測量芯片的溫度。令人驚訝的是，這些微小的設備能夠在 100 奈秒內檢測到溫度的突變，這個速度比眨眼快了數百萬倍。
賓夕法尼亞州立大學的工程科學教授 Saptarshi Das 表示：「這些芯片在使用過程中會快速升溫，但監測其溫度的傳感器並未嵌入芯片內部。」他補充道：「研究人員一直在探討是否可以將溫度感測直接集成到芯片中，這將提供更快速、更準確的讀數。」
隨著現代處理器內部的晶體管數量達到數十億，熱量的產生對性能造成影響，而外部傳感器的測量也面臨困難。這種熱量的猜測問題將隨著微型芯片內部溫度計的推出而得到解決。這些新型傳感器使用了一種稱為雙金屬噻吩磷酸鹽的二維材料，這些材料的厚度僅幾個原子。利用這些獨特的材料，團隊將這些溫度計縮小至僅有一個平方微米，厚度是人類頭髮的數千分之一。
這些特性使得儘管傳感器的尺寸微小，仍能對溫度變化保持高度敏感。Das 說：「我們發現使用這類材料可以開發出非常快速、低功耗且小型化的熱傳感器，這樣可以在單個芯片上放置多個此類傳感器。」
該發明還解決了另一個問題。長期以來，芯片設計師將移動的離子視為麻煩，因為這些帶電粒子經常會干擾電子的平穩流動。然而，賓州州立大學的團隊意識到，這些對於處理數據可能有害的離子，卻在感測熱量方面展現了出色的表現。Das 解釋道：「通常在晶體管中不受歡迎的東西，其實對於熱感測來說卻是非常有用的。」
研究人員將這些敏感的離子與電子耦合，創造出一種比當前行業領導者小 100 倍的傳感器。在材料研究所的納米製造實驗室進行測試時，使用了先進的儀器來製造數千個傳感器並將其集成到單個計算機芯片上。這種精簡設計的功率效率比當前的基於矽的系統高出 80 倍，因為它在運行時不需要額外的電路或笨重的信號轉換器。
Das 表示：「這是一個概念驗證，顯示這種設計是可行的——它可以被小型化，功率低，並可能成為將溫度監測直接集成到芯片中的下一步。」除了改善當前計算機的穩定性，Das 還預見這些傳感器將成為一個新一代超緊湊技術的藍圖。在未來，微型傳感器甚至可以在單一集成系統內追蹤化學、光學和物理數據。這項研究於 3 月 6 日在《自然傳感器》期刊上發表。
