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。爭議焦點在于強化學習人工智能系統(tǒng)，谷歌使用該系統(tǒng)為其人工智能加速器芯片（TPU）布局邏輯和內存塊邁出了關鍵一步。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術算法和人類芯片設計師。谷歌的一個競爭對手團隊回應稱沒有，但該公司不會公布競爭對手的結果。

一年后，由 IEEE 院士 Andrew Kahng 領導的一個小組報告了一項研究，他表示這項研究旨在幫助社區(qū)度過這一不愉快的時期。Kahng 的研究在很大程度上支持了競爭對手的觀點。此后，《自然》雜志發(fā)表社論表達了擔憂，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 首席科學家 Jeff Dean 表示，與 TPU 團隊可用的其他方法相比，TPU 的 37 個模塊中有 26 個由于人工智能而具有更好的性能布局，37 個模塊中有 7 個表現(xiàn)同樣出色。

2. 美國大學正在建設半導體人才隊伍

隨著《美國芯片和科學法案》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 報道，美國各地的大學，尤其是那些靠近晶圓廠建設項目的大學，正在改進其半導體教育課程作為回應。希望引導有才華的學生遠離人工智能和其他熱門領域的誘惑，并引導他們致力于制造使人工智能成為可能的芯片。

3. 晶體管可以在沒有移動部件的情況下處理熱量

去年 11 月，加州大學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，即使是當今的先進方法，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和關閉熱導。

4. 光刻機進一步延續(xù)摩爾定律

極紫外光刻技術已經(jīng)醞釀了數(shù)十年，直到幾年前才進入常規(guī)應用，在最先進的芯片上打印納米級圖案。已經(jīng)到了升級的時候了。正如 ASML 的工程師所解釋的那樣，目前使用的技術版本僅限于制作分辨率約為其光波長 13.5 納米的圖案。為了低于這個限制，工程師必須對系統(tǒng)的光學器件進行一些重大改變，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。類似于反向運行的燃料電池的新技術將使該技術更加環(huán)保。

5. 氮化鎵和碳化硅爭奪綠色技術主導地位

我們越來越擔心半導體制造的污染，但這個故事實際上正在被解決。碳化硅和氮化鎵功率半導體都比硅同類產品更高效。IEEE Spectrum 試圖回答的問題是：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，這兩種半導體都會阻止大量碳進入大氣。

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，但它必須結束了。數(shù)據(jù)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方案，將電力傳輸網(wǎng)絡移至硅的底部，在那里金屬線可以保持寬且導電。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制造芯片的芯片制造商，該技術被稱為 PowerVia。6 月份，該公司分享的結果顯示，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現(xiàn)。

8. 芯片上的粒子加速器變小

很少有技術能夠同時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。德國科學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僅納米寬、0.5 毫米長的凹槽。在這個尺度上，加速電子前進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家們希望有一天能夠將它們提高到對醫(yī)學研究和其他應用有用的速度。

9. 研究人員發(fā)現(xiàn)了迄今為止最快的半導體

什么有 6 個錸原子、8 個硒原子和 12 個氯原子？迄今為止發(fā)現(xiàn)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，而是與激子結合，產生一種新的準粒子，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. 光子聚變的實際力量

硅太陽能電池相對便宜且供應充足，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呢？斯坦福大學的研究人員解釋了這是如何完成的。通過在多個分子和能態(tài)之間交換電子的復雜過程，他們找到了一種將兩個無用的光子變成一個有用的光子的方法。這對光伏發(fā)電的影響可能是巨大的。