2023 年十大半導(dǎo)體故事

1. 結(jié)束芯片設(shè)計(jì)的「丑陋」篇章

2022 年，芯片設(shè)計(jì)界和谷歌內(nèi)部爆發(fā)了爭論。爭議焦點(diǎn)在于強(qiáng)化學(xué)習(xí)人工智能系統(tǒng)，谷歌使用該系統(tǒng)為其人工智能加速器芯片（TPU）布局邏輯和內(nèi)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，谷歌聲稱它在尋找最佳布局方面擊敗了頂級學(xué)術(shù)算法和人類芯片設(shè)計(jì)師。谷歌的一個(gè)競爭對手團(tuán)隊(duì)回應(yīng)稱沒有，但該公司不會公布競爭對手的結(jié)果。

一年后，由 IEEE 院士 Andrew Kahng 領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組報(bào)告了一項(xiàng)研究，他表示這項(xiàng)研究旨在幫助社區(qū)度過這一不愉快的時(shí)期。Kahng 的研究在很大程度上支持了競爭對手的觀點(diǎn)。此后，《自然》雜志發(fā)表社論表達(dá)了擔(dān)憂，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(tuán)隊(duì)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(xiàn)同樣出色。

2. 美國大學(xué)正在建設(shè)半導(dǎo)體人才隊(duì)伍

隨著《美國芯片和科學(xué)法案》將向美國的芯片制造注入數(shù)百億美元，問題出現(xiàn)了：「誰將在這些新工廠工作？」據(jù)長期撰稿人 Prachi Patel 報(bào)道，美國各地的大學(xué)，尤其是那些靠近晶圓廠建設(shè)項(xiàng)目的大學(xué)，正在改進(jìn)其半導(dǎo)體教育課程作為回應(yīng)。希望引導(dǎo)有才華的學(xué)生遠(yuǎn)離人工智能和其他熱門領(lǐng)域的誘惑，并引導(dǎo)他們致力于制造使人工智能成為可能的芯片。

3. 晶體管可以在沒有移動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(bào)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的固態(tài)器件。散熱一直是處理器性能的一個(gè)長期限制，并且隨著處理器成為 3D 堆疊小芯片的集合，它只會變得更加困難。與熱晶體管相比，即使是當(dāng)今的先進(jìn)方法，對芯片溫度變化的反應(yīng)也很慢，而熱晶體管可以以 1 兆赫的速度快速打開和關(guān)閉熱導(dǎo)。

4. 光刻機(jī)進(jìn)一步延續(xù)摩爾定律

極紫外光刻技術(shù)已經(jīng)醞釀了數(shù)十年，直到幾年前才進(jìn)入常規(guī)應(yīng)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 13.5 納米的圖案。為了低于這個(gè)限制，工程師必須對系統(tǒng)的光學(xué)器件進(jìn)行一些重大改變，并解決隨之而來的所有連鎖問題。順便說一句，這并不是 EUV 的唯一改進(jìn)。類似于反向運(yùn)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(dǎo)地位

我們越來越擔(dān)心半導(dǎo)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(dǎo)體都比硅同類產(chǎn)品更高效。IEEE Spectrum 試圖回答的問題是：這些寬帶隙半導(dǎo)體中哪種在什么情況下工作效果最好？答案很復(fù)雜但很有趣。有一件事是明確的，這兩種半導(dǎo)體都會阻止大量碳進(jìn)入大氣。

6. 英特爾全力發(fā)展背面供電

芯片制造商計(jì)劃對高端處理器的互連架構(gòu)進(jìn)行重大改變。自從 IC 發(fā)明以來，所有連接晶體管的金屬都是在硅表面上方形成的。這種做法幾十年來一直行之有效，但它必須結(jié)束了。數(shù)據(jù)承載互連所需的內(nèi)容和電力承載互連所需的內(nèi)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，在那里金屬線可以保持寬且導(dǎo)電。這就留下了更多的空間來更好地封裝上面的數(shù)據(jù)承載線。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)被稱為 PowerVia。6 月份，該公司分享的結(jié)果顯示，PowerVia 本身可帶來約 6% 的性能提升，這大約是晶體管大幅縮小所帶來的性能提升的一半。英特爾將于 2024 年使用 PowerVia 和稱為 RibbonFET 的新型晶體管組合來制造 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題，有助于加速處理器和其他芯片之間的數(shù)據(jù)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(dǎo)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(xiàn)。

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(xiàn)在粒子加速器可以做到這一點(diǎn)。德國科學(xué)家沒有使用電場來提高電子在長軌道上的速度，而是使用光來讓電子穿過一個(gè)僅納米寬、0.5 毫米長的凹槽。在這個(gè)尺度上，加速電子前進(jìn)的電場來自光的振蕩電場。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?qū)⑺鼈兲岣叩綄︶t(yī)學(xué)研究和其他應(yīng)用有用的速度。

9. 研究人員發(fā)現(xiàn)了迄今為止最快的半導(dǎo)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(xiàn)的最快的半導(dǎo)體，就是這樣。這種分子形成超團(tuán)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，聲子是由固體振動形成的準(zhǔn)粒子。通常聲子會減慢速度，部分是通過干擾激子、束縛電子對和帶正電的空穴。該分子中的聲子不會撞擊激子，而是與激子結(jié)合，產(chǎn)生一種新的準(zhǔn)粒子，該準(zhǔn)粒子以電子速度兩倍的速度自由流過半導(dǎo)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

硅太陽能電池相對便宜且供應(yīng)充足，但它們錯過了陽光中的大量能量。基本上，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(diào)呢？斯坦福大學(xué)的研究人員解釋了這是如何完成的。通過在多個(gè)分子和能態(tài)之間交換電子的復(fù)雜過程，他們找到了一種將兩個(gè)無用的光子變成一個(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。