2023 年十大半導體故事

1. 結束芯片設計的「丑陋」篇章

2022 年，芯片設計界和谷歌內部爆發(fā)了爭論。爭議焦點(diǎn)在于強化學(xué)習人工智能系統，谷歌使用該系統為其人工智能加速器芯片（TPU）布局邏輯和內存塊邁出了關(guān)鍵一步。在 2021 年《自然》雜志上發(fā)表的研究中，谷歌聲稱(chēng)它在尋找最佳布局方面擊敗了頂級學(xué)術(shù)算法和人類(lèi)芯片設計師。谷歌的一個(gè)競爭對手團隊回應稱(chēng)沒(méi)有，但該公司不會(huì )公布競爭對手的結果。

一年后，由 IEEE 院士 Andrew Kahng 領(lǐng)導的一個(gè)小組報告了一項研究，他表示這項研究旨在幫助社區度過(guò)這一不愉快的時(shí)期。Kahng 的研究在很大程度上支持了競爭對手的觀(guān)點(diǎn)。此后，《自然》雜志發(fā)表社論表達了擔憂(yōu)，Kahng 撤回了谷歌論文最初附帶的社論。但這家搜索巨頭仍然支持其人工智能。就在 2023 年 8 月，谷歌 DeepMind 首席科學(xué)家 Jeff Dean 表示，與 TPU 團隊可用的其他方法相比，TPU 的 37 個(gè)模塊中有 26 個(gè)由于人工智能而具有更好的性能布局，37 個(gè)模塊中有 7 個(gè)表現同樣出色。

2. 美國大學(xué)正在建設半導體人才隊伍

隨著(zhù)《美國芯片和科學(xué)法案》將向美國的芯片制造注入數百億美元，問(wèn)題出現了：「誰(shuí)將在這些新工廠(chǎng)工作？」據長(cháng)期撰稿人 Prachi Patel 報道，美國各地的大學(xué)，尤其是那些靠近晶圓廠(chǎng)建設項目的大學(xué)，正在改進(jìn)其半導體教育課程作為回應。希望引導有才華的學(xué)生遠離人工智能和其他熱門(mén)領(lǐng)域的誘惑，并引導他們致力于制造使人工智能成為可能的芯片。

3. 晶體管可以在沒(méi)有移動(dòng)部件的情況下處理熱量

去年 11 月，加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員報告了熱晶體管的發(fā)明，這是第一個(gè)使用電子信號控制熱量流動(dòng)的固態(tài)器件。散熱一直是處理器性能的一個(gè)長(cháng)期限制，并且隨著(zhù)處理器成為 3D 堆疊小芯片的集合，它只會(huì )變得更加困難。與熱晶體管相比，即使是當今的先進(jìn)方法，對芯片溫度變化的反應也很慢，而熱晶體管可以以 1 兆赫的速度快速打開(kāi)和關(guān)閉熱導。

4. 光刻機進(jìn)一步延續摩爾定律

極紫外光刻技術(shù)已經(jīng)醞釀了數十年，直到幾年前才進(jìn)入常規應用，在最先進(jìn)的芯片上打印納米級圖案。已經(jīng)到了升級的時(shí)候了。正如 ASML 的工程師所解釋的那樣，目前使用的技術(shù)版本僅限于制作分辨率約為其光波長(cháng) 13.5 納米的圖案。為了低于這個(gè)限制，工程師必須對系統的光學(xué)器件進(jìn)行一些重大改變，并解決隨之而來(lái)的所有連鎖問(wèn)題。順便說(shuō)一句，這并不是 EUV 的唯一改進(jìn)。類(lèi)似于反向運行的燃料電池的新技術(shù)將使該技術(shù)更加環(huán)保。

5. 氮化鎵和碳化硅爭奪綠色技術(shù)主導地位

我們越來(lái)越擔心半導體制造的污染，但這個(gè)故事實(shí)際上正在被解決。碳化硅和氮化鎵功率半導體都比硅同類(lèi)產(chǎn)品更高效。IEEE Spectrum 試圖回答的問(wèn)題是：這些寬帶隙半導體中哪種在什么情況下工作效果最好？答案很復雜但很有趣。有一件事是明確的，這兩種半導體都會(huì )阻止大量碳進(jìn)入大氣。

6. 英特爾全力發(fā)展背面供電

芯片制造商計劃對高端處理器的互連架構進(jìn)行重大改變。自從 IC 發(fā)明以來(lái)，所有連接晶體管的金屬都是在硅表面上方形成的。這種做法幾十年來(lái)一直行之有效，但它必須結束了。數據承載互連所需的內容和電力承載互連所需的內容之間存在根本性的緊張關(guān)系?；旧?，如果承載功率的互連又短又寬，功率損失就會(huì )更少。因此，研究人員想出了一個(gè)方案，將電力傳輸網(wǎng)絡(luò )移至硅的底部，在那里金屬線(xiàn)可以保持寬且導電。這就留下了更多的空間來(lái)更好地封裝上面的數據承載線(xiàn)。英特爾是第一家宣布將使用背面供電技術(shù)制造芯片的芯片制造商，該技術(shù)被稱(chēng)為 PowerVia。6 月份，該公司分享的結果顯示，PowerVia 本身可帶來(lái)約 6% 的性能提升，這大約是晶體管大幅縮小所帶來(lái)的性能提升的一半。英特爾將于 2024 年使用 PowerVia 和稱(chēng)為 RibbonFET 的新型晶體管組合來(lái)制造 CPU。

7. 將激光器置于硅上的 4 種方法

硅有很多用途。制造激光器不是其中之一。但在硅芯片上安裝激光器可以解決許多尷尬的集成問(wèn)題，有助于加速處理器和其他芯片之間的數據傳輸。因此，工程師們一直在想出實(shí)用的方法，將由化合物半導體制成的激光器集成到硅晶圓上，并以可制造且相對便宜的方式實(shí)現。

8. 芯片上的粒子加速器變小

很少有技術(shù)能夠同時(shí)擁有城市大小和小硬幣大小的版本。但現在粒子加速器可以做到這一點(diǎn)。德國科學(xué)家沒(méi)有使用電場(chǎng)來(lái)提高電子在長(cháng)軌道上的速度，而是使用光來(lái)讓電子穿過(guò)一個(gè)僅納米寬、0.5 毫米長(cháng)的凹槽。在這個(gè)尺度上，加速電子前進(jìn)的電場(chǎng)來(lái)自光的振蕩電場(chǎng)。在加速器的影響下，電子的速度提高了 40%?？茖W(xué)家們希望有一天能夠將它們提高到對醫學(xué)研究和其他應用有用的速度。

9. 研究人員發(fā)現了迄今為止最快的半導體

什么有 6 個(gè)錸原子、8 個(gè)硒原子和 12 個(gè)氯原子？迄今為止發(fā)現的最快的半導體，就是這樣。這種分子形成超團簇，其作用就像一個(gè)大原子，但具有這些元素中任何一種元素都沒(méi)有的特性。其速度的秘密在于聲子的行為，聲子是由固體振動(dòng)形成的準粒子。通常聲子會(huì )減慢速度，部分是通過(guò)干擾激子、束縛電子對和帶正電的空穴。該分子中的聲子不會(huì )撞擊激子，而是與激子結合，產(chǎn)生一種新的準粒子，該準粒子以電子速度兩倍的速度自由流過(guò)半導體。不幸的是，錸是地球上最稀有的元素之一。

10. 光子聚變的實(shí)際力量

硅太陽(yáng)能電池相對便宜且供應充足，但它們錯過(guò)了陽(yáng)光中的大量能量?；旧?，不使用能量小于硅帶隙的顏色光。但是如果我們可以將這些顏色變成硅的首選色調呢？斯坦福大學(xué)的研究人員解釋了這是如何完成的。通過(guò)在多個(gè)分子和能態(tài)之間交換電子的復雜過(guò)程，他們找到了一種將兩個(gè)無(wú)用的光子變成一個(gè)有用的光子的方法。這對光伏發(fā)電的影響可能是巨大的。