《IEEE Spectrum》雜志總結2023年10項半導體行業重大新聞

本報告總結了IEEE Spectrum雜志2023年報道的10項半導體行業重大新聞。主要內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計劃、熱晶體管和背部供電等新技術、氮化鎵和碳化硅材料創新，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年對半導體行業影響最深遠的事件。


導言

IEEE Spectrum雜志公布2023年半導體行業十則重要新聞，深入剖析形成今年半導體格局的關鍵技術創新和產業動態[1]。這些不同題材的新聞報道涉及更多內容，如摩爾定律未來發展前景、芯片制造業可持續性規劃，以及提升性能的全新架構方案。此外，人工智能在芯片設計領域的爭議和半導體業人才缺口問題也占據頭條。本報告歸納總結IEEE Spectrum十則重要新聞及其對產業的重要啟示。


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，用于設計谷歌AI加速器（TPU）的邏輯布局和內存分布。2021年發表在《自然》雜志的一篇論文聲稱，該AI系統找到的芯片最佳布局方案勝過頂級學術算法和人工設計。但谷歌內一個競爭小組質疑該結論，谷歌拒絕公布該組的研究結果。在一場重要學術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表研究結果，意在使該領域研究團體走出這一不快事件。Kahng的研究結果在很大程度上證實了競爭小組的論點。隨后，《自然》雜志發表聲明表達關注，Kahng也撤回了最初發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。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，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。


半導體業人才培養計劃

隨著美國《芯片法案》批準芯片在美國國內生產大量資金投入，如何配備新廠房人員成為重點議題。芯片廠項目所在地區大學積極改革半導體專業教育，通過人才培養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。加強工程技術人才隊伍是利用美國芯片制造投資的關鍵。


熱晶體管問世

加州大學洛杉磯分校研究人員發明了第一個熱晶體管，這是一種使用電信號調節熱流的固態器件。作為熱邏輯技術，可能大幅推動先進處理器散熱管理。與現有方案不同，熱晶體管可以兆赫級速率開啟和關閉熱導率，對溫度變化響應更迅速。熱晶體管打開了調控芯片散熱新篇章。


極紫外光刻技術升級

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，形成芯片的電路結構。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是EUV光刻機技術，即極紫外光刻機技術，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光刻機技術的研發難度極高，目前只有荷蘭的ASML公司掌握了這項技術，并且只有少數幾個國家和企業能夠購買和使用它。

ASML詳細介紹了其極紫外光刻系統升級方案，以繼續推動摩爾定律進步。極紫外光刻已經成為主流，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新來打印更小特征圖案。ASML還開發了制程綠色化技術，這些提升都將繼續驅動摩爾定律進展。

氮化鎵與碳化硅競相追求可持續性

與傳統硅器件相比，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勢及最佳應用場景。盡管生產過程具有挑戰，但碳化硅和氮化鎵等寬帶隙材料，將在電力電子產品和充電應用中帶來巨大的碳減排效應。材料創新被視為實現可持續技術的關鍵驅動力。


背面供電引入

英特爾等芯片企業試圖通過將電源傳輸網絡轉移到硅芯片背面來重塑芯片供電架構。該“電源通孔”背面供電技術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年產品將通過結合電源通孔和新型絲帶場效應管實現約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，但解決挑戰將大幅加速芯片間數據傳輸。工程師在異質集成激光器實際技術上取得進展。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，以及混合鍵合技術等。這些技術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，有的則需要占據幾公里甚至幾十公里的空間。然而，一項新的研究發現，現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內的粒子。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。傳統加速器的尺寸從醫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百萬伏的規模上。

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，使用光波產生電場梯度，實現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，其聲子特性使激發子快速流動而不發生散射。如果能解決稀有金屬錸的擴展性限制，這種超級激發子材料可能開啟超高速電子器件新紀元。


光子融合產生實用太陽能

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換為高能光子，有望顯著提高光電轉換效率。他們通過分子間能量和電子交換，實現兩個紅外光子融合生成一個可見光光子。這項技術有待落地應用，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，突出產業面臨的迫切技術需求和創新方向。半導體業人才培養、創新的三維集成背面供電架構和硅基光電子技術的片上光源集成都占有重要位置。與此同時，產業與學界不斷加強合作，在速度、功率和制造能力等方面實現技術性能改進。隨著半導體產業需求激增，Spectrum雜志報道的多樣化技術路徑為行業發展提供了寶貴經驗和啟示。