Se ha comentado mucho sobre las temperaturas que se consideran normales en una CPU, GPU, RAM, SSD, HDD, etc. Sin embargo, no mucho se ha dicho sobre cuál es esa temperatura de la que no deberías pasar, ya que a esa temperatura el chip de silicio comenzará a envejecer, acortando su vida útil…
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La durabilidad de los circuitos integrados está limitada por múltiples mecanismos físicos de degradación que reducen su vida útil, especialmente en aplicaciones exigentes. Estos mecanismos, conocidos como efectos de envejecimiento, se ven potenciados por el avance hacia nodos tecnológicos más pequeños, mayores densidades de corriente y requisitos de rendimiento más estrictos:
Los electrones en movimiento pueden desplazar átomos de metal en los conductores, creando vacíos y aumentando la resistencia en algunos puntos. Este fenómeno, se acelera con densidades de corriente más altas y afecta la fiabilidad de los interconectores metálicos. Aunque se mitiga ensanchando los conductores o reduciendo la corriente, los avances hacia nodos más pequeños reavivan preocupaciones previas, como tensiones en las interfaces metal-dieléctrico. Además, el voltaje, la frecuencia y la temperatura están estrechamente ligados con este fenómeno, ya que hacen que se acelere…
La captura de cargas en materiales dieléctricos es un fenómeno crítico. Estas cargas atrapadas, producto de defectos intrínsecos o generadas durante la operación, alteran propiedades como la tensión de umbral en los transistores. En dieléctricos avanzados como el óxido de hafnio, las trampas intrínsecas persisten a pesar de los esfuerzos para optimizar los materiales. Los enlaces defectuosos en interfaces, como las uniones silicio-óxido, también contribuyen a la acumulación de cargas, aumentando el envejecimiento.
Los electrones altamente energéticos, o hot-carriers, pueden atravesar barreras dieléctricas, quedando atrapados o generando nuevos defectos. Este fenómeno, impulsado por campos eléctricos intensos en los transistores, deteriora la interfaz dieléctrica y causa una degradación progresiva del rendimiento. Aunque utilizado intencionalmente en memorias flash, HCI es indeseable en la mayoría de los contextos.
La reducción del voltaje y las altas temperaturas inducen inestabilidades en los transistores PMOS (NBTI) y NMOS (PBTI), afectando la tensión de umbral. En ambos casos, los electrones atrapados en dieléctricos o interfaces degradan la velocidad y fiabilidad del chip. Aunque algunos efectos son parcialmente reversibles, su impacto acumulativo es significativo.
En barreras dieléctricas delgadas, los electrones pueden atravesarlas mediante efecto túnel Fowler-Nordheim, incrementando las corrientes de fuga. Esto hace que se contribuya a la degradación del dieléctrico e incluso produzca fallos eventuales.
La acumulación de cargas atrapadas puede formar caminos en dieléctricos, causando su ruptura súbita. No obstante, esto no es tan problemático en chips normales, sino más bien en los RF.
En paquetes heterogéneos que integran múltiples materiales con diferentes coeficientes de expansión térmica (dilatación), los cambios de temperatura generan tensiones mecánicas que comprometen las conexiones metálicas y capas, que pueden agrietarse o romperse.
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El calentamiento global no solo está afectando a los chips de ordenadores, también a los chips utilizados en vehículos eléctricos y autónomos, que están envejeciendo más rápido de lo esperado debido a temperaturas que deja el denominado cambio climático. Incluso los chips de aplicaciones críticas, como los vehículos, están disminuyendo su vida útil hasta un 10% por esta causa.
Lo peor es que conforme se avance en los nodos de fabricación, estos efectos podrían ser más evidentes. De hecho, algunos expertos ya se plantean analizar si nodos como los de 5nm o inferiores se deberían excluir para chips de aplicaciones críticas, y que deberían durar al menos un par de décadas.
Según la ley de Arrhenius, por cada 10°C por encima de la temperatura incrementada, la tasa de envejecimiento se duplica aproximadamente.
Los modelos actuales de predicción de vida útil (RUL o Remaining Useful Life) enfrentan dificultades para incorporar el impacto dinámico de factores como temperatura, humedad y vibraciones, que agregar a la electromigración, la descomposición dieléctrica y el desgaste en juntas de soldadura son problemas recurrentes a nivel de diseño de chips, exacerbados por fluctuaciones térmicas y materiales más delgados en nodos avanzados.
El monitoreo continuo de los chips es crucial para predecir fallas y evitar problemas de seguridad en aplicaciones automotrices críticas. Técnicas como la inteligencia artificial integrada permiten ajustar dinámicamente la operación del chip para extender su vida útil.Sin embargo, los sistemas de redundancia en nodos avanzados son difíciles de implementar debido a limitaciones de diseño y rendimiento.
Por otro lado, las altas temperaturas pueden comprometer la seguridad, como en el caso de claves cifrado que se degradan con el envejecimiento de los materiales, como las memorias en las que se almacenan. Otro de los retos a los que hay que enfrentarse, junto con la monitorización continua, los cambios en el diseño para aumentar la fiabilidad, y actualizar los modelos de predicción y simulación.
La temperatura a la que el silicio comienza a envejecer es a unos 60ºC, por lo que ningún dispositivo tuyo debería pasar de esa temperatura para alargar su vida al máximo… Y no confundas la Tjmax (abreviatura de Junction Temperature Maximum), que representa la temperatura máxima permitida en la unión más caliente del chip (normalmente el punto donde se genera la mayor cantidad de calor en el dispositivo). Si la temperatura del chip excede este valor, pueden ocurrir fallos críticos o daño permanente al dispositivo. Aquí hablamos no de daños irreversibles, sino de envejecimiento, y el valor con el que te debes quedar es 60ºC.
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