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(zhēng)論。爭(zhēng)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(chēng)它在尋找最佳布局方面擊敗了頂級(jí)學(xué)術(shù)算法和人類(lèi)芯片設(shè)計(jì)師。谷歌的一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手團(tuán)隊(duì)回應(yīng)稱(chēng)沒(méi)有，但該公司不會(huì)公布競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(guò)這一不愉快的時(shí)期。Kahng的研究在很大程度上支持了競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的觀點(diǎn)。此后，《自然》雜志發(fā)表社論表達(dá)了擔(dān)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(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(guó)大學(xué)正在建設(shè)半導(dǎo)體人才隊(duì)伍隨著《美國(guó)芯片和科學(xué)法案》將向美國(guó)的芯片制造注入數(shù)百億美元，問(wèn)題出現(xiàn)了：“誰(shuí)將在這些新工廠(chǎng)工作？” 據(jù)長(zhǎng)期撰稿人Prachi Patel報(bào)道，美國(guó)各地的大學(xué)，尤其是那些靠近晶圓廠(chǎng)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(mén)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(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(bào)告了熱晶體管的發(fā)明，這是第一個(gè)使用電子信號(hào)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(zhǎng)期限制，并且隨著處理器成為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(dāng)今的先進(jìn)方法，對(duì)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(kāi)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(jí)圖案。已經(jīng)到了升級(jí)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(zhǎng) 13.5 納米的圖案。為了低于這個(gè)限制，工程師必須對(duì)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(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(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(zhēng)奪綠色技術(shù)主導(dǎo)地位我們?cè)絹?lái)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(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(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(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(jì)劃對(duì)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(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(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?；旧希绻休d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(dǎo)電。這就留下了更多的空間來(lái)更好地封裝上面的數(shù)據(jù)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(jié)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(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(duì)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(guó)科學(xué)家沒(méi)有使用電場(chǎng)來(lái)提高電子在長(zhǎng)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(zhǎng)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?qū)⑺鼈兲岣叩綄?duì)醫(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(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(zhǔn)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(duì)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(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(guò)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(yáng)能電池相對(duì)便宜且供應(yīng)充足，但它們錯(cuò)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(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(guò)在多個(gè)分子和能態(tài)之間交換電子的復(fù)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(duì)光伏發(fā)電的影響可能是巨大的。來(lái)源：半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫

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