美國初創(chuàng)公司研發(fā)絕緣材料，試圖打破日本巨頭在該領(lǐng)域的壟斷地位
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試圖理解計算機(jī)芯片的所有復(fù)雜組件可能是一件令人頭疼的事，那些通過銅線“高速公路”相互連接的微觀組件層，有些地方甚至比人類的頭發(fā)絲還細(xì)。
這些電線之間存在一種名為電介質(zhì)的絕緣材料，以確保電線不會相互接觸和短路。進(jìn)一步放大，在芯片和下面的結(jié)構(gòu)之間存在一種特殊的電介質(zhì)，這種材料被稱為介電膜，是以薄如白細(xì)胞的薄片制成的。
30 年來，一家名為味之素（Ajinomoto）的日本公司通過制作這種薄片賺取了數(shù)十億美元。競爭對手一直難以望其項背，如今味之素仍占據(jù)著 90% 以上的市場份額。
但現(xiàn)在，一家總部位于美國加利福尼亞州伯克利的初創(chuàng)公司正在研發(fā)一種新產(chǎn)品，試圖與味之素競爭，并將芯片制造供應(yīng)鏈的這一小部分帶回美國。
這家公司名為 Thintronics，其材料（產(chǎn)品）是一款專為滿足人工智能時代的計算需求而設(shè)計的。該公司聲稱，這種新材料具有更好的絕緣性能，如果能廣泛采用，就意味著數(shù)據(jù)中心的運(yùn)算速度更快，能源成本更低。
在 2800 億美元的《芯片與科學(xué)法案》的刺激下，該公司與其他美國公司一同站在了半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展前沿。該法案試圖讓美國在半導(dǎo)體行業(yè)掌握更大的話語權(quán)，尤其是目前由少數(shù)國際公司主導(dǎo)的幾個細(xì)分領(lǐng)域。
但要想取得成功，Thintronics 及其同行必須克服一系列挑戰(zhàn)，解決技術(shù)問題，打破建立已久的行業(yè)關(guān)系，并說服全球半導(dǎo)體巨頭接納新的供應(yīng)商。
Thintronics 創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官斯特凡·帕斯汀（Stefan Pastine）表示：“發(fā)明新材料平臺并將其推向世界非常困難。這不適合膽小的人。”
絕緣體的瓶頸味之素這個名字聽起來似乎跟芯片沒什么關(guān)系：該公司更為人所知的成就是，世界領(lǐng)先的味精調(diào)味粉供應(yīng)商。
20 世紀(jì) 90 年代，味之素發(fā)現(xiàn)味精的一種副產(chǎn)品是很好的絕緣體，從那以后，它幾乎壟斷了這種小眾材料。
但味之素不生產(chǎn)任何其他用于芯片的東西。事實上，芯片中的絕緣材料依賴于分散的供應(yīng)鏈：一層使用味之素的材料，另一層使用另一家公司的材料，以此類推，它們并沒有被優(yōu)化和整合到一起。
當(dāng)數(shù)據(jù)的傳輸距離較短時，絕緣系統(tǒng)可以正常工作，但當(dāng)距離變長時，如芯片和芯片之間的傳輸，弱絕緣體會成為瓶頸，浪費(fèi)能量并降低計算速度。
這一點越來越令人擔(dān)憂，尤其是隨著人工智能的訓(xùn)練越來越昂貴，消耗的能量也越來越大（味之素沒有回應(yīng)置評請求）。
帕斯汀是一名化學(xué)家，他在 2019 年將自己專門研究硬塑料回收的公司出售給了一家工業(yè)化學(xué)品公司。
自那時起，他開始相信化工行業(yè)的創(chuàng)新速度很慢，他認(rèn)為同樣的問題阻礙了芯片制造商尋找更好的絕緣材料。
他說，在芯片行業(yè)，絕緣體“有點被視為邊緣人物”，它們的發(fā)展進(jìn)程遠(yuǎn)比不上晶體管和其他芯片組件。
同年，他成立了 Thintronics，希望找到更好的絕緣體，以更低的成本為數(shù)據(jù)中心提供更快的計算速度。
這個想法并非開創(chuàng)性的，很多人都在不斷研究和嘗試新的絕緣體，但帕斯汀相信他可以找到合適的化學(xué)物質(zhì)來實現(xiàn)突破。
（來源：資料圖）Thintronics 表示，它將為芯片的所有層制造不同的絕緣體，可以與現(xiàn)有生產(chǎn)線無縫銜接。
帕斯汀告訴我，許多行業(yè)參與者目前正在測試這些材料。但他以保密協(xié)議為由拒絕提供名字，同樣也不愿透露技術(shù)細(xì)節(jié)。
在沒有更多技術(shù)細(xì)節(jié)的情況下，很難對比 Thintronics 的材料與其他公司的競爭產(chǎn)品。該公司最近測試了其材料的 Dk 值（介電常數(shù)），這個指標(biāo)可以衡量材料的絕緣能力。
研究人員溫基·桑達(dá)拉姆（Venky Sundaram）評估了結(jié)果，他創(chuàng)立了多家半導(dǎo)體初創(chuàng)公司，但與 Thintronics 沒有關(guān)系。
他說，與其他積層膜（Thintronics 正在研發(fā)的電介質(zhì)類別）相比，它們的 Dk 值令人印象深刻，比當(dāng)今任何其他材料都要好。
前路漫漫Thintronics 的努力已經(jīng)獲得了一些支持。該公司在 2024 年 3 月獲得了由風(fēng)險投資公司 Translink 和 Maverick 牽頭的 2000 萬美元 A 輪融資，以及美國國家科學(xué)基金會的撥款。
該公司也在尋求《芯片法案》的資助。該法案于 2022 年成為法律，旨在促進(jìn) Thintronics 等半導(dǎo)體公司的發(fā)展，從而將半導(dǎo)體制造業(yè)帶回美國，減少對外國供應(yīng)商的依賴。
該法案成為法律一年后，政府表示，已有 450 多家公司提交了意向書，嘗試獲得資助。
該法案的大部分資金將用于大型制造廠，如位于美國新墨西哥州的英特爾新工廠和位于美國亞利桑那州的臺積電新工廠。但美國商務(wù)部長吉娜·雷蒙多（Gina Raimondo）表示，她希望小公司也能獲得資金，尤其是在材料領(lǐng)域。
2024 年 2 月，專門用于材料創(chuàng)新的 3 億美元資金池開放申請。雖然 Thintronics 拒絕透露其正在尋求多少資金或從哪些項目獲得資金，但該公司確實將《芯片法案》視為一大推動力。
但與絕緣相關(guān)的產(chǎn)品目前依賴于全球數(shù)十家公司，想建立一個美國本土的芯片供應(yīng)鏈，意味著扭轉(zhuǎn)不同國家?guī)资陙硭茉斓膶I(yè)化趨勢。行業(yè)專家表示，當(dāng)今占主導(dǎo)地位的絕緣體供應(yīng)商很難撼動，它們已經(jīng)習(xí)慣了對抗新的競爭對手。
桑達(dá)拉姆說：“20 多年來，味之素一直占據(jù)著 90% 以上的市場份額。這在大多數(shù)行業(yè)是聞所未聞的，很明顯，他們并不是依靠一成不變來實現(xiàn)這一點的。”
一大挑戰(zhàn)是，占主導(dǎo)地位的絕緣材料制造商與英偉達(dá)、AMD 等芯片設(shè)計公司，以及臺積電等芯片制造商有著長達(dá)數(shù)十年的合作關(guān)系。要求這些行業(yè)大玩家更換材料是很難實現(xiàn)的。
“半導(dǎo)體行業(yè)非常保守。”在電介質(zhì)行業(yè)工作超過 25 年的半導(dǎo)體研究員 Larry Zhao 說：“他們喜歡使用自己非常熟悉的供應(yīng)商，質(zhì)量有保證。”
Thintronics 還面臨著技術(shù)障礙：與其他芯片組件一樣，絕緣材料的制造標(biāo)準(zhǔn)非常精確，難以實現(xiàn)。味之素占主導(dǎo)地位的絕緣層，其厚度還不及人的頭發(fā)。
這種材料還必須能夠開孔，這些小孔要容納垂直穿過薄膜的電線。桑達(dá)拉姆說，每一次新的迭代都是一次大規(guī)模的研發(fā)工作，老牌公司在這方面有多年的經(jīng)驗，因此占據(jù)了上風(fēng)。
如果所有這些都能在實驗室中完成，那么前方還有另一個障礙：材料必須在大批量生產(chǎn)時保留這些特性，而桑達(dá)拉姆過去看到很多公司就是在這里失敗的。
他說：“多年來，我曾為幾家試圖打破味之素業(yè)務(wù)壁壘的材料供應(yīng)商提供建議，但他們最終都沒能成功，在大規(guī)模生產(chǎn)時遇到了無法解決的難題。”
盡管面臨重重挑戰(zhàn)，但有一件事可能對 Thintronics 有利：微軟和 Meta 等美國科技巨頭首次在設(shè)計自己的芯片方面取得了進(jìn)展。
它們計劃將這些芯片用于內(nèi)部人工智能（模型）訓(xùn)練，以及作為云計算服務(wù)的一部分，這兩項計劃都將減少行業(yè)對英偉達(dá)的依賴。
微軟、谷歌和 Meta 拒絕評論它們是否在推動絕緣體等材料的進(jìn)步。
但桑達(dá)拉姆表示，這些公司可能更愿意與新的美國初創(chuàng)公司合作，而不是墨守成規(guī)的芯片制造方式：“他們對供應(yīng)鏈的態(tài)度比現(xiàn)有的大公司開放得多。”
作者簡介：詹姆斯·奧唐奈（James O'Donnell）是《麻省理工科技評論》的人工智能記者，他專注于報道自動駕駛汽車、手術(shù)機(jī)器人和聊天機(jī)器人等技術(shù)的承諾和風(fēng)險。在加入《麻省理工科技評論》之前，他曾在調(diào)查新聞媒體 FRONTLINE PBS 工作。他的文章曾發(fā)表于《華盛頓郵報》、ProPublica、WNYC 等媒體上。
支持：Ren
排版：劉雅坤
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