De elektrische geleiding van een halfgeleider wordt voornamelijk bepaald door de dichtheid van vrije ladingsdragers en hun mobiliteit. De mobiliteit van ladingsdragers in halfgeleiders wordt sterk beïnvloed door verschillende verstrooiingsmechanismen, die afhankelijk zijn van de temperatuur en het type halfgeleider. Bij lagere temperaturen kan de mobiliteit aanzienlijk veranderen door de afname van de invloeden van deze verstrooiingen, wat leidt tot een hogere geleidbaarheid. Dit effect wordt voornamelijk veroorzaakt door zes belangrijke verstrooiingsmechanismen: fononverstrooiing, verstrooiing door geïoniseerde onzuiverheden, verzadiging van de snelheid, verstrooiing door interacties tussen ladingsdragers, verstrooiing door neutrale onzuiverheden en oppervlakteverstrooiing.

Fononverstrooiing is het effect waarbij de beweging van elektronen in een halfgeleider wordt beïnvloed door de trillingen van het kristalrooster. Deze verstrooiing neemt af bij lagere temperaturen, omdat het aantal fononen in het kristalrooster afneemt, wat leidt tot een verbeterde mobiliteit van de ladingsdragers. Geïoniseerde onzuiverheden hebben echter de tegenovergestelde invloed: naarmate de temperatuur daalt, wordt de concentratie van thermisch geïoniseerde onzuiverheden kleiner, wat leidt tot een toename van de mobiliteit van elektronen en gaten.

Verstrooiing door interacties tussen ladingsdragers komt voor wanneer de elektronen en gaten elkaar verstoren, wat resulteert in een verminderde mobiliteit. Dit mechanisme heeft minder invloed bij lagere temperaturen, omdat de dichtheid van ladingsdragers afneemt. Aan de andere kant kan de verzadiging van de snelheid, die optreedt wanneer de snelheid van ladingsdragers het maximum bereikt, een significant effect hebben op de mobiliteit bij hogere elektrische velden. Dit fenomeen wordt versterkt in omstandigheden waar ladingsdragers zich snel door de halfgeleider bewegen.

Surface scattering speelt een cruciale rol bij zeer kleine afmetingen, zoals bij halfgeleiderapparaten met een kanaallengte onder de 10 nanometer. Bij deze lengtes kunnen ladingsdragers niet meer op de gebruikelijke manier door de bulk bewegen, maar worden ze sterk beïnvloed door de grensvlakken van het materiaal. Dit effect veroorzaakt een lagere mobiliteit van de ladingsdragers, maar kan worden verminderd door gebruik te maken van geschikte modellen, zoals de functie fr(y), die een geleidelijke overgang beschrijft van oppervlakteverstrooiing naar bulkmobiliteit.

De temperatuurafhankelijkheid van de geleidbaarheid wordt niet alleen beïnvloed door deze verstrooiingsmechanismen, maar ook door de dopingconcentratie in het halfgeleidermateriaal. Bij lage temperaturen kan een halfgeleider zich gedragen als een isolator wanneer de ladingsdragers bevriezen, wat vooral voorkomt bij dopingsniveaus die lager zijn dan het drempelniveau voor degeneratie. Dit zogenaamde "freeze-out"-effect is duidelijk merkbaar in de stabiele toestand, wanneer het geleidingskanaal volledig is gevestigd. Tijdens transiënttoestanden, bijvoorbeeld wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd, kan de elektrische geleidbaarheid echter afwijken van dit stabiele gedrag vanwege ballistische transportfenomenen of snelheidsoversteken.

Ballistisch transport treedt op wanneer de ladingsdragers zich sneller bewegen dan in de typische "dwarstransport"-toestand, wat kan leiden tot hogere snelheden dan de gemiddelde driftsnelheid. Dit fenomeen doet zich voor wanneer de vrije tijd van ladingsdragers (relaxatietijd) langer is dan de tijd die nodig is om door het kanaal te bewegen. Dit effect is vooral merkbaar bij lage temperaturen, wanneer de ladingsdragers als "koude" dragers worden beschouwd. De frequentie van het elektrische veld is ook van invloed op de relaxatietijd en kan variëren van enkele terahertz bij cryogene temperaturen.

Bij cryogene temperaturen worden halfgeleiders aanzienlijk efficiënter in het verwerken van elektrische signalen. Apparaten met een kanaallengte kleiner dan 10 nanometer vertonen typisch ballistisch transport, vooral bij terahertzfrequenties, wat het mogelijk maakt om systemen te ontwikkelen die gebruik maken van extreem hoge snelheidsprestaties. Dit gedrag maakt cryogene halfgeleiders uiterst geschikt voor toepassingen zoals kwantumcomputing, ruimtevaarttechnologieën en andere toepassingen die baat hebben bij hoge signaal-ruisverhouding of de ontvangst van zwakke signalen.

Het effect van temperatuur op de elektrische geleidbaarheid van halfgeleiders is dus complex en afhankelijk van een reeks verstrooiingsmechanismen. Bij lage temperaturen kunnen de meeste verstrooiingsinvloeden afnemen, wat resulteert in een verbeterde mobiliteit en geleiding. Toch moeten ontwerpers van halfgeleiderapparaten rekening houden met de verschillende effecten die de prestaties van de apparaten kunnen beïnvloeden, afhankelijk van de gebruikte materialen en de bedrijfsomstandigheden. Verder onderzoek en simulaties blijven nodig om de gedetailleerde interacties tussen de verschillende verstrooiingsmechanismen beter te begrijpen, vooral bij het ontwerpen van apparaten voor cryogene omgevingen.

Hoe Optimaliseer je Energieverbruik in Cryogene Cloud Computing Systemen?

Cryogene cloud computing systemen maken gebruik van geavanceerde technologieën die draaien bij extreem lage temperaturen, waardoor ze in staat zijn om significante prestatiewinst te boeken, terwijl het energieverbruik aanzienlijk wordt verminderd. De prestaties van dergelijke systemen worden echter sterk beïnvloed door de temperatuur, niet alleen van de processoren maar ook van de koelunits en andere componenten. Het vinden van de optimale temperatuurinstellingen voor elk deel van het systeem is cruciaal voor het minimaliseren van het energieverbruik en het behouden van de benodigde prestaties, zonder dat het systeem in termen van vertragingen (latency) of stabiliteit inboet. In dit hoofdstuk wordt een geavanceerde methodologie gepresenteerd die de thermische optimalisatie van cryogene systemen aanpakt, met de nadruk op de interactie tussen verschillende temperatuurzones en hun invloed op het totale energieverbruik en de prestaties van het systeem.

Een praktische case study in dit hoofdstuk toont aan hoe de temperatuurinstellingen van subsystemen binnen een cryogeen computing systeem kunnen worden bepaald. Het systeem bestaat uit vier fasen van koeling, waarbij de temperatuur, vertraging en het vermogen van het systeem worden weergegeven in een multigrafiek. Deze grafiek bevat alle mogelijke toestanden van het systeem, waarbij verschillende temperatuurinstellingen en hun invloed op de prestaties en het energieverbruik kunnen worden geanalyseerd. De optimale temperatuurinstellingen zijn zo gekozen dat ze de prestaties binnen een vooraf bepaalde vertraging van 0,135 microseconden houden, met een geoptimaliseerd energieverbruik van 218,71 kilowatt.

Het systeem dat in de case study wordt gepresenteerd, is ontworpen om te werken met een cryogene koelunit die bij temperaturen ver onder het vriespunt draait, wat typisch is voor cryogene systemen die werken met supergeleiding of kwantumcomputing. De keuze van de temperaturen voor de verschillende subsystemen heeft directe invloed op het energieverbruik, maar ook op de koelcapaciteit en de dissipatie van warmte. Terwijl de temperatuur van de CMOS-modules in de eerste drie stadia constant blijft, varieert de temperatuur van andere modules, wat de prestaties beïnvloedt. Deze verschillen in prestaties zijn het gevolg van variaties in de temperatuur van niet-CMOS-modules.

Het doel van deze methodologie is om de totale vermogensdissipatie van het systeem te minimaliseren zonder concessies te doen aan de prestaties. Dit wordt bereikt door niet alleen de individuele subsystemen te optimaliseren, maar door rekening te houden met de onderlinge afhankelijkheden tussen de verschillende temperatuurzones. Het model dat hier wordt gepresenteerd, houdt rekening met de thermische lekkage tussen de verschillende kamers van de koelkast, wat een significante invloed kan hebben op de efficiëntie van het koelsysteem. Dit aspect wordt vaak over het hoofd gezien, maar is van groot belang voor het algehele energieverbruik van cryogene systemen.

Cryogene systemen die zich richten op supergeleidende digitale elektronica, bijvoorbeeld, tonen aan hoe het gebruik van zeer lage temperaturen de energie-efficiëntie aanzienlijk kan verhogen. Hoewel het energieverbruik in kleine toepassingen bij cryogene temperaturen relatief inefficiënt kan zijn, verbetert dit aanzienlijk naarmate het systeem op grotere schaal wordt toegepast, zoals in grote cloud computing centra. De temperatuurinstellingen en de bijbehorende koelmethoden kunnen variëren afhankelijk van de specifieke vereisten van het systeem. Sommige circuits werken efficiënter bij lagere temperaturen, terwijl andere circuits juist beter presteren bij hogere temperaturen. Het dynamisch aanpassen van de temperatuur per subeenheid in het systeem draagt bij aan een hogere energie-efficiëntie.

Naast de thermische optimalisatie is de keuze van de koelconfiguratie van het systeem van groot belang. De verschillende configuraties van koelsystemen die in dit hoofdstuk worden besproken, benadrukken het belang van flexibiliteit in het ontwerp van cryogene computing systemen. Het voorgestelde model introduceert de mogelijkheid om de koelstadia en de plaatsing van de units op basis van prestatie- en energievereisten te optimaliseren. In tegenstelling tot eerdere benaderingen, die uitgingen van een vast aantal koelfasen en een vaste configuratie, biedt dit model de mogelijkheid om de fasen en de configuraties van de units dynamisch aan te passen, zodat de energie-efficiëntie wordt gemaximaliseerd.

Bovendien speelt het gebruik van multigrafieken een cruciale rol in de modellering van het systeem, doordat ze alle mogelijke toestanden en temperatuurconfiguraties van het systeem kunnen weergeven. Dit maakt het mogelijk om het systeem op een zeer gedetailleerd niveau te optimaliseren, door niet alleen rekening te houden met de temperatuurinstellingen maar ook met de bijbehorende vermogensconsumptie en vertragingen. Dit zorgt ervoor dat het systeem als geheel optimaal presteert zonder de betrouwbaarheid of de functionaliteit van individuele componenten te compromitteren.

Bij het ontwerpen van cryogene computing systemen moet ook aandacht worden besteed aan de kracht van de gebruikte koelunits. De inefficiëntie van cryogene koelsystemen kan leiden tot een significante verhoging van het energieverbruik, wat in sommige gevallen het voordeel van lagere vermogensconsumptie door de computing units kan tenietdoen. Het is daarom essentieel om niet alleen te focussen op het optimaliseren van de operationele temperaturen, maar ook op het verbeteren van de efficiëntie van de koelsystemen en het verminderen van warmtelekken tussen de verschillende delen van het systeem. Dit kan worden bereikt door nauwkeurige simulaties van de thermische dynamica en het zorgvuldig afstemmen van de koelcapaciteit op de vereisten van de computing units.

Tot slot dient benadrukt te worden dat de efficiëntie van cryogene systemen niet alleen afhankelijk is van de individuele temperatuurinstellingen, maar ook van de complexiteit van de onderlinge interacties tussen de verschillende componenten van het systeem. Het dynamisch aanpassen van de temperatuurinstellingen per subeenheid op basis van real-time prestatie- en vermogensmetingen kan aanzienlijke voordelen opleveren, zowel in termen van prestaties als energieverbruik. Dit stelt ontwerpers in staat om cryogene computing systemen te bouwen die niet alleen energie-efficiënt zijn, maar ook uitzonderlijke prestaties leveren op het gebied van rekenkracht.

De Duistere Geschiedenis van de Grensbewaking en Racisme in de VS
Wat is de impact van het beëindigen van DACA op de Amerikaanse economie en samenleving?
Hoe het politieke discours onze werkelijkheid vormt: een genealogie van de hedendaagse macht
Hoe Kunstmatige Intelligentie de Toekomst van de Gezondheidszorg Kan Vormgeven