本報(bào)告總結(jié)了IEEE Spectrum雜志2023年報(bào)道的10項(xiàng)半導(dǎo)體行業(yè)重大新聞。主要內(nèi)容包括谷歌芯片設(shè)計(jì)工作中的人工智能爭(zhēng)議、美國(guó)半導(dǎo)體人才培養(yǎng)計(jì)劃、熱晶體管和背部供電等新技術(shù)、氮化鎵和碳化硅材料創(chuàng)新，以及硅基光電子激光光源集成和高速半導(dǎo)體等領(lǐng)域的重大突破。報(bào)告重點(diǎn)介紹了2023年對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)影響最深遠(yuǎn)的事件。


導(dǎo)言

IEEE Spectrum雜志公布2023年半導(dǎo)體行業(yè)十則重要新聞，深入剖析形成今年半導(dǎo)體格局的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)動(dòng)態(tài)[1]。這些不同題材的新聞報(bào)道涉及更多內(nèi)容，如摩爾定律未來發(fā)展前景、芯片制造業(yè)可持續(xù)性規(guī)劃，以及提升性能的全新架構(gòu)方案。此外，人工智能在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域的爭(zhēng)議和半導(dǎo)體業(yè)人才缺口問題也占據(jù)頭條。本報(bào)告歸納總結(jié)IEEE Spectrum十則重要新聞及其對(duì)產(chǎn)業(yè)的重要啟示。


人工智能芯片設(shè)計(jì)爭(zhēng)議

今年最大新聞是谷歌芯片團(tuán)隊(duì)為其AI加速器（TPU）設(shè)計(jì)芯片布局工作流程引發(fā)的人工智能爭(zhēng)議。爭(zhēng)議焦點(diǎn)是谷歌采用的一套增強(qiáng)學(xué)習(xí)人工智能系統(tǒng)，用于設(shè)計(jì)谷歌AI加速器（TPU）的邏輯布局和內(nèi)存分布。2021年發(fā)表在《自然》雜志的一篇論文聲稱，該AI系統(tǒng)找到的芯片最佳布局方案勝過頂級(jí)學(xué)術(shù)算法和人工設(shè)計(jì)。但谷歌內(nèi)一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)小組質(zhì)疑該結(jié)論，谷歌拒絕公布該組的研究結(jié)果。在一場(chǎng)重要學(xué)術(shù)會(huì)議前信息遭到泄露，爭(zhēng)論隨之白熱化。

一年后，IEEE院士Andrew Kahng領(lǐng)銜的一個(gè)研究小組發(fā)表研究結(jié)果，意在使該領(lǐng)域研究團(tuán)體走出這一不快事件。Kahng的研究結(jié)果在很大程度上證實(shí)了競(jìng)爭(zhēng)小組的論點(diǎn)。隨后，《自然》雜志發(fā)表聲明表達(dá)關(guān)注，Kahng也撤回了最初發(fā)表在谷歌論文旁的社論。然而谷歌公司仍堅(jiān)定支持其AI系統(tǒng)。2023年8月，谷歌DeepMind首席科學(xué)家杰夫·迪恩（Jeff Dean）表示，相比TPU團(tuán)隊(duì)使用的其他芯片布局方法，在37個(gè)TPU模塊中，AI找到的方案使26個(gè)模塊性能更優(yōu)，7個(gè)模塊性能相當(dāng)。這場(chǎng)風(fēng)波揭示了芯片設(shè)計(jì)的丑陋一面，也突顯了人工智能能力被高估的風(fēng)險(xiǎn)。


半導(dǎo)體業(yè)人才培養(yǎng)計(jì)劃

隨著美國(guó)《芯片法案》批準(zhǔn)芯片在美國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)大量資金投入，如何配備新廠房人員成為重點(diǎn)議題。芯片廠項(xiàng)目所在地區(qū)大學(xué)積極改革半導(dǎo)體專業(yè)教育，通過人才培養(yǎng)渠道引導(dǎo)學(xué)生從事芯片制造，避免流入人工智能等熱門領(lǐng)域。加強(qiáng)工程技術(shù)人才隊(duì)伍是利用美國(guó)芯片制造投資的關(guān)鍵。


熱晶體管問世

加州大學(xué)洛杉磯分校研究人員發(fā)明了第一個(gè)熱晶體管，這是一種使用電信號(hào)調(diào)節(jié)熱流的固態(tài)器件。作為熱邏輯技術(shù)，可能大幅推動(dòng)先進(jìn)處理器散熱管理。與現(xiàn)有方案不同，熱晶體管可以兆赫級(jí)速率開啟和關(guān)閉熱導(dǎo)率，對(duì)溫度變化響應(yīng)更迅速。熱晶體管打開了調(diào)控芯片散熱新篇章。


極紫外光刻技術(shù)升級(jí)

光刻機(jī)是制造芯片的核心設(shè)備，它的作用是將芯片的設(shè)計(jì)圖案通過光學(xué)原理投影到硅片上，形成芯片的電路結(jié)構(gòu)。光刻機(jī)的性能決定了芯片的制程工藝，即芯片上晶體管的尺寸和密度，從而影響著芯片的性能和功耗。一般來說，制程工藝越先進(jìn)，芯片的性能越高，功耗越低。



目前，世界上最先進(jìn)的光刻機(jī)技術(shù)是EUV光刻機(jī)技術(shù)，即極紫外光刻機(jī)技術(shù)，它使用的光源波長(zhǎng)只有13.5納米，可以制造出7納米甚至5納米以下的芯片。EUV光刻機(jī)技術(shù)的研發(fā)難度極高，目前只有荷蘭的ASML公司掌握了這項(xiàng)技術(shù)，并且只有少數(shù)幾個(gè)國(guó)家和企業(yè)能夠購(gòu)買和使用它。

ASML詳細(xì)介紹了其極紫外光刻系統(tǒng)升級(jí)方案，以繼續(xù)推動(dòng)摩爾定律進(jìn)步。極紫外光刻已經(jīng)成為主流，但未來的特征尺寸縮減需要突破約13.5納米的光源極限。這需要通過光學(xué)和其他部件創(chuàng)新來打印更小特征圖案。ASML還開發(fā)了制程綠色化技術(shù)，這些提升都將繼續(xù)驅(qū)動(dòng)摩爾定律進(jìn)展。

氮化鎵與碳化硅競(jìng)相追求可持續(xù)性

與傳統(tǒng)硅器件相比，碳化硅和氮化鎵效率大幅提升。Spectrum雜志研究了兩種材料各自的優(yōu)勢(shì)及最佳應(yīng)用場(chǎng)景。盡管生產(chǎn)過程具有挑戰(zhàn)，但碳化硅和氮化鎵等寬帶隙材料，將在電力電子產(chǎn)品和充電應(yīng)用中帶來巨大的碳減排效應(yīng)。材料創(chuàng)新被視為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)技術(shù)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。


背面供電引入

英特爾等芯片企業(yè)試圖通過將電源傳輸網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移到硅芯片背面來重塑芯片供電架構(gòu)。該“電源通孔”背面供電技術(shù)采用更寬更短的互連布線以降低功率損耗。去除正面供電也釋放空間進(jìn)行更緊湊的組件布局。英特爾預(yù)計(jì)2024年產(chǎn)品將通過結(jié)合電源通孔和新型絲帶場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)約6%的性能提升，展示三維集成的潛力。


硅基光電子芯片激光光源集成進(jìn)展

在硅芯片上集成激光光源一直是難點(diǎn)，但解決挑戰(zhàn)將大幅加速芯片間數(shù)據(jù)傳輸。工程師在異質(zhì)集成激光器實(shí)際技術(shù)上取得進(jìn)展。Spectrum雜志介紹了四種不同的制造級(jí)方案，包括直接外延生長(zhǎng)三五族化合物到硅基板，以及混合鍵合技術(shù)等。這些技術(shù)成熟將增強(qiáng)硅基光電子芯片功能。


硬幣大小的粒子加速器

粒子加速器的大小不一，有的可以裝在實(shí)驗(yàn)室里，有的則需要占據(jù)幾公里甚至幾十公里的空間。然而，一項(xiàng)新的研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在科學(xué)家們正在更仔細(xì)地研究芯片大小的電子加速器。該技術(shù)的近期潛在應(yīng)用包括用于精準(zhǔn)治療，替代那些更有破壞性的放療，這種放療可以殺死癌細(xì)胞，以及新型激光和光源。

粒子加速器通常推動(dòng)金屬管或金屬環(huán)內(nèi)的粒子。它們加速粒子的速率受到金屬表面所能承受的峰值場(chǎng)的限制。傳統(tǒng)加速器的尺寸從醫(yī)學(xué)應(yīng)用的幾米到基礎(chǔ)研究的幾公里不等。他們使用的電場(chǎng)通常在每米數(shù)百萬伏的規(guī)模上。

相比之下，電絕緣介電材料（導(dǎo)電性不好但能很好地支持靜電場(chǎng)的材料）可以承受數(shù)千倍強(qiáng)的光場(chǎng)。這使得科學(xué)家們開始研究制造依賴激光投擲粒子的介電加速器。這種設(shè)備可能會(huì)導(dǎo)致“芯片上的加速器”比傳統(tǒng)機(jī)器小很多倍，也便宜很多倍。

德國(guó)科學(xué)家通過在硅基板上蝕刻納米級(jí)溝道，使用光波產(chǎn)生電場(chǎng)梯度，實(shí)現(xiàn)了迄今最小的粒子加速器。雖然加速能量目前僅為電子伏特段，但這一驗(yàn)證展示了將加速器進(jìn)一步縮小應(yīng)用于醫(yī)療和科研的可能性?！拔⑿图铀倨鳌备拍羁赡艽蟠髷U(kuò)展加速器應(yīng)用場(chǎng)景。

史上最高速的半導(dǎo)體材料

哥倫比亞大學(xué)研究人員報(bào)告一種含錸、硒和氯的分子半導(dǎo)體，創(chuàng)下迄今最高荷載運(yùn)輸速率記錄。該分子形成獨(dú)特超級(jí)簇，其聲子特性使激發(fā)子快速流動(dòng)而不發(fā)生散射。如果能解決稀有金屬錸的擴(kuò)展性限制，這種超級(jí)激發(fā)子材料可能開啟超高速電子器件新紀(jì)元。


光子融合產(chǎn)生實(shí)用太陽(yáng)能

斯坦福大學(xué)研究人員通過“融合”光子的復(fù)雜過程將太陽(yáng)電池?zé)o法吸收的低能光子轉(zhuǎn)換為高能光子，有望顯著提高光電轉(zhuǎn)換效率。他們通過分子間能量和電子交換，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)紅外光子融合生成一個(gè)可見光光子。這項(xiàng)技術(shù)有待落地應(yīng)用，但其意義可能極大提升太陽(yáng)能電池性能極限。


結(jié)語

從人工智能到材料科學(xué)，IEEE Spectrum雜志評(píng)選的2023年十則半導(dǎo)體重要新聞，突出產(chǎn)業(yè)面臨的迫切技術(shù)需求和創(chuàng)新方向。半導(dǎo)體業(yè)人才培養(yǎng)、創(chuàng)新的三維集成背面供電架構(gòu)和硅基光電子技術(shù)的片上光源集成都占有重要位置。與此同時(shí)，產(chǎn)業(yè)與學(xué)界不斷加強(qiáng)合作，在速度、功率和制造能力等方面實(shí)現(xiàn)技術(shù)性能改進(jìn)。隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)需求激增，Spectrum雜志報(bào)道的多樣化技術(shù)路徑為行業(yè)發(fā)展提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)和啟示。