本報告總結(jié)了IEEE Spectrum雜志2023年報道的10項半導體行業(yè)重大新聞。主要內(nèi)容包括谷歌芯片設計工作中的人工智能爭議、美國半導體人才培養(yǎng)計劃、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體等領域的重大突破。報告重點介紹了2023年對半導體行業(yè)影響最深遠的事件。


導言

IEEE Spectrum雜志公布2023年半導體行業(yè)十則重要新聞，深入剖析形成今年半導體格局的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)動態(tài)[1]。這些不同題材的新聞報道涉及更多內(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，人工智能在芯片設計領域的爭議和半導體業(yè)人才缺口問題也占據(jù)頭條。本報告歸納總結(jié)IEEE Spectrum十則重要新聞及其對產(chǎn)業(yè)的重要啟示。


人工智能芯片設計爭議

今年最大新聞是谷歌芯片團隊為其AI加速器（TPU）設計芯片布局工作流程引發(fā)的人工智能爭議。爭議焦點是谷歌采用的一套增強學習人工智能系統(tǒng)，用于設計谷歌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學術(shù)算法和人工設計。但谷歌內(nèi)一個競爭小組質(zhì)疑該結(jié)論，谷歌拒絕公布該組的研究結(jié)果。在一場重要學術(shù)會議前信息遭到泄露，爭論隨之白熱化。

一年后，IEEE院士Andrew Kahng領銜的一個研究小組發(fā)表研究結(jié)果，意在使該領域研究團體走出這一不快事件。Kahng的研究結(jié)果在很大程度上證實了競爭小組的論點。隨后，《自然》雜志發(fā)表聲明表達關(guān)注，Kahng也撤回了最初發(fā)表在谷歌論文旁的社論。然而谷歌公司仍堅定支持其AI系統(tǒng)。2023年8月，谷歌DeepMind首席科學家杰夫·迪恩（Jeff Dean）表示，相比TPU團隊使用的其他芯片布局方法，在37個TPU模塊中，AI找到的方案使26個模塊性能更優(yōu)，7個模塊性能相當。這場風波揭示了芯片設計的丑陋一面，也突顯了人工智能能力被高估的風險。


半導體業(yè)人才培養(yǎng)計劃

隨著美國《芯片法案》批準芯片在美國國內(nèi)生產(chǎn)大量資金投入，如何配備新廠房人員成為重點議題。芯片廠項目所在地區(qū)大學積極改革半導體專業(yè)教育，通過人才培養(yǎng)渠道引導學生從事芯片制造，避免流入人工智能等熱門領域。加強工程技術(shù)人才隊伍是利用美國芯片制造投資的關(guān)鍵。


熱晶體管問世

加州大學洛杉磯分校研究人員發(fā)明了第一個熱晶體管，這是一種使用電信號調(diào)節(jié)熱流的固態(tài)器件。作為熱邏輯技術(shù)，可能大幅推動先進處理器散熱管理。與現(xiàn)有方案不同，熱晶體管可以兆赫級速率開啟和關(guān)閉熱導率，對溫度變化響應更迅速。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

光刻機是制造芯片的核心設備，它的作用是將芯片的設計圖案通過光學原理投影到硅片上，形成芯片的電路結(jié)構(gòu)。光刻機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，芯片的性能越高，功耗越低。



目前，世界上最先進的光刻機技術(shù)是EUV光刻機技術(shù)，即極紫外光刻機技術(shù)，它使用的光源波長只有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公司掌握了這項技術(shù)，并且只有少數(shù)幾個國家和企業(yè)能夠購買和使用它。

ASML詳細介紹了其極紫外光刻系統(tǒng)升級方案，以繼續(xù)推動摩爾定律進步。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)動摩爾定律進展。

氮化鎵與碳化硅競相追求可持續(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)勢及最佳應用場景。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)品和充電應用中帶來巨大的碳減排效應。材料創(chuàng)新被視為實現(xiàn)可持續(xù)技術(shù)的關(guān)鍵驅(qū)動力。


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行更緊湊的組件布局。英特爾預計2024年產(chǎn)品將通過結(jié)合電源通孔和新型絲帶場效應管實現(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展

在硅芯片上集成激光光源一直是難點，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)集成激光器實際技術(shù)上取得進展。Spectrum雜志介紹了四種不同的制造級方案，包括直接外延生長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，有的可以裝在實驗室里，有的則需要占據(jù)幾公里甚至幾十公里的空間。然而，一項新的研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在科學家們正在更仔細地研究芯片大小的電子加速器。該技術(shù)的近期潛在應用包括用于精準治療，替代那些更有破壞性的放療，這種放療可以殺死癌細胞，以及新型激光和光源。

粒子加速器通常推動金屬管或金屬環(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的限制。傳統(tǒng)加速器的尺寸從醫(yī)學應用的幾米到基礎研究的幾公里不等。他們使用的電場通常在每米數(shù)百萬伏的規(guī)模上。

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

德國科學家通過在硅基板上蝕刻納米級溝道，使用光波產(chǎn)生電場梯度，實現(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，但這一驗證展示了將加速器進一步縮小應用于醫(yī)療和科研的可能性。“微型加速器”概念可能大大擴展加速器應用場景。

史上最高速的半導體材料

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


光子融合產(chǎn)生實用太陽能

斯坦福大學研究人員通過“融合”光子的復雜過程將太陽電池無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，實現(xiàn)兩個紅外光子融合生成一個可見光光子。這項技術(shù)有待落地應用，但其意義可能極大提升太陽能電池性能極限。


結(jié)語

從人工智能到材料科學，IEEE Spectrum雜志評選的2023年十則半導體重要新聞，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，產(chǎn)業(yè)與學界不斷加強合作，在速度、功率和制造能力等方面實現(xiàn)技術(shù)性能改進。隨著半導體產(chǎn)業(yè)需求激增，Spectrum雜志報道的多樣化技術(shù)路徑為行業(yè)發(fā)展提供了寶貴經(jīng)驗和啟示。