盤點(diǎn)2020年半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)十大先鋒技術(shù)

2020年即將結(jié)束，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)今年都有哪些亮眼的成績呢？今天我們就來盤點(diǎn)一下今年半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)十大先鋒技術(shù)，一起來看看都有誰上榜：

臺積電2nm工藝研發(fā)突破，或采用環(huán)繞柵極晶體管技術(shù)

9月，產(chǎn)業(yè)鏈消息，臺積電2nm工藝的研發(fā)進(jìn)展超出預(yù)期，甚至快于原計劃。

2nm已極度接近當(dāng)前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)所采用工藝所能達(dá)到的極限，此前，在8月底舉辦臺積電第26屆技術(shù)研討會上，臺積電確認(rèn)了其5nm工藝將在明年推出N5P增強(qiáng)版，更先進(jìn)的3nm、4nm也一并被公布。此外，臺積電還正式宣布建設(shè)新的研發(fā)中心，預(yù)計將投入8000多名工程師的人力到一條先進(jìn)工藝生產(chǎn)線上，著力攻克2nm工藝。

據(jù)消息人士透露，臺積電的2nm工藝不會繼續(xù)采用成熟的鰭式場效應(yīng)晶體管技術(shù)（FinFET），而會采用環(huán)繞柵極晶體管技術(shù)（GAA）。

在3nm工藝節(jié)點(diǎn)上，臺積電選擇了采用FinFET而放棄了GAA，三星卻在3nm工藝上一直堅持著GAA路線，臺積電率先來到2nm工藝路口，其作出的選擇也基本意味著接下來半導(dǎo)體行業(yè)整體的到前進(jìn)方向。

晶體管技術(shù)的演化與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程息息相關(guān)，晶體管中一個重要影響因素就是場效應(yīng)，是指通過施加一個電場來實(shí)現(xiàn)對電流的控制，所以也就有了場效應(yīng)晶體管（Field－Effect Transistor，F(xiàn)ET）一說。

FinFET就是源自于場效應(yīng)晶體管，在FinFET的架構(gòu)中，閘門的形狀類似魚鰭的叉狀3D架構(gòu)。這種設(shè)計可大幅改善電路控制并減少漏電流，也可大幅縮短晶體管的柵長。

然而，芯片工藝節(jié)點(diǎn)發(fā)展到5nm之后，F(xiàn)inFET開始面臨一系列難題。隨著柵線之間間距的減小，以往在一個單元內(nèi)填充多個鰭線的做法已不再現(xiàn)實(shí)，而柵線間距的減小還會導(dǎo)致FinFET的靜電問題大大加劇并直接制約晶體管性能的提升，F(xiàn)inFET的出現(xiàn)雖然突破了平面晶體管的短溝道效應(yīng)限制讓電壓得以降低，但在理想情況下溝道應(yīng)該被柵極完全包圍。因此，在5nm之后，業(yè)界迫切需要一個新的結(jié)構(gòu)來替代鰭式晶體管結(jié)構(gòu)，這就帶來了全環(huán)繞柵極晶體管，也就是GAA。

然而，受限于摩爾定律等因素，采用GAA結(jié)構(gòu)也需要滿足一些條件，如：1、需要的生產(chǎn)工藝應(yīng)與FinFET相似，從而讓現(xiàn)有設(shè)備繼續(xù)發(fā)揮作用；2、應(yīng)實(shí)現(xiàn)對通道更好的控制，例如柵極與通道之前的接觸面積更大；3、帶來的寄生電容和電阻問題應(yīng)得到顯著改善。

以臺積電2nm的研發(fā)進(jìn)度來看，預(yù)計臺積電2023年下半年可望進(jìn)入風(fēng)險性試產(chǎn)，2024年正式量產(chǎn)。

編輯點(diǎn)評：臺積電已長期占據(jù)晶圓代工產(chǎn)業(yè)的制高點(diǎn)，按目前的進(jìn)展看，它還將保持相應(yīng)優(yōu)勢至少好幾年。2nm之后，業(yè)界就面臨著在商業(yè)而不是科研領(lǐng)域讓挑戰(zhàn)傳說中的1nm硅材料技術(shù)極限的重大考驗(yàn)。這場大考將如何重塑產(chǎn)業(yè)生態(tài)呢？目前我們還難以預(yù)判。但對于中國大陸而言，最領(lǐng)先的企業(yè)中芯國際，本就是一個技術(shù)水平相比行業(yè)領(lǐng)先者落后好幾代的追趕者，在美國「實(shí)體清單」制裁的陰影下，這場大考，是會給中國大陸相關(guān)企業(yè)帶來「彎道超車」的機(jī)遇呢？還是進(jìn)一步拉大與行業(yè)領(lǐng)先者的距離呢？

植入式芯片的未來：馬斯克展示“活豬注入芯片”

今年8月29日，“鋼鐵俠”馬斯克又完成了一項常人難以完成的“壯舉”，他在15萬直播用戶的圍觀下，通過無線裝置連接植入豬大腦中的芯片，實(shí)時監(jiān)控豬的大腦活動。

腦機(jī)接口公司Neuralink朝一只名叫格特魯?shù)碌男∝i身上被植入了Link V0．9，當(dāng)馬斯克撫摸格特魯?shù)碌谋亲訒r，在電腦上呈現(xiàn)了數(shù)據(jù)化的信息狀態(tài)，當(dāng)格特魯?shù)聡@著一支筆嗅來嗅去時，同樣可以看到設(shè)備傳輸出來的數(shù)據(jù)，顯示小豬腦部活動情況。這背后所蘊(yùn)含的技術(shù)，是通過讓大腦和計算機(jī)之間建立數(shù)字連接，從而產(chǎn)生相應(yīng)的電極信號并讓小豬大腦活動可視化呈現(xiàn)。

重點(diǎn)在于，植入腦機(jī)接口手術(shù)的小豬與未植入設(shè)備的豬沒有什么兩樣。而植入式芯片Link V0．9大小約為一枚硬幣，直徑23mm，厚度8mm，可采集傳輸上千（1024個）通道的神經(jīng)放電信號，擁有全天續(xù)航能力，支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，可感知溫度、壓力等數(shù)據(jù)。其植入方式與傳統(tǒng)的醫(yī)院手術(shù)開刀不同，Link V0．9的植入全程由自動化機(jī)器人完成，無需麻醉，耗時不到一小時。

據(jù)Neuralink介紹，他們最初希望利用這項技術(shù)幫助癱瘓患者控制自己的電腦和智能手機(jī)。下一步，該技術(shù)可以用于治療腦疾病患者，如帕金森氏癥，以及應(yīng)對大腦和脊髓損傷或治療自閉癥和肌萎縮性側(cè)索硬化癥（ASL）等疾病。

編輯點(diǎn)評：目前，人們已經(jīng)看到了植入芯片帶來的科技價值，但最重要的是，人們自身愿不愿意接受體內(nèi)植入芯片？周圍一起生活的人又能否接受植入芯片的人？另一方面，即使很多植入人體的芯片都經(jīng)過了嚴(yán)格的組織相容性實(shí)驗(yàn)，對材料有特殊的要求，但依然不能保證百分之百的安全。到底芯片植入大腦，是不是解決部分腦部相關(guān)疾病的最佳手段，或許要等到馬斯克下一階段的實(shí)驗(yàn)才能見得分曉。

ASML 研發(fā)下一代 EUV ***：分辨率提升70％ 逼近 1nm 極限

像臺積電在晶圓代工領(lǐng)域的地位，在***領(lǐng)域，荷蘭ASML公司也占據(jù)了行業(yè)鰲頭。

進(jìn)一步的，在當(dāng)前市場上最先進(jìn)的EUV***領(lǐng)域，ASML更是獨(dú)上了這塊細(xì)分市場。2019年，ASML出貨26臺EUV***，為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)探索更先進(jìn)制程工藝量產(chǎn)的行動提供了強(qiáng)有力后盾。

3月，據(jù)媒體報道，ASML公司正在研發(fā)新一代EUV***，預(yù)計將在2022年開始出貨。據(jù)ASML此前公布的報告，在2019年出貨26臺EUV***的基礎(chǔ)上，預(yù)計2020年將交付35臺，2021年則會達(dá)到45－50臺的交付量，是2019年的兩倍左右。

ASML出貨的EUV***主要還是以NXE：3400B及改進(jìn)型的NXE：3400C為主，兩者基本結(jié)構(gòu)相同，但NXE：3400C采用模塊化設(shè)計，維護(hù)更加便捷，平均維修時間將從48小時縮短到8－10小時，支持7nm、5nm。

此外，NXE：3400C的產(chǎn)能也從之前的125WPH（每小時處理晶圓數(shù)）提升到了175WPH。

不論NXE：3400B還是NXE：3400C，都還是第一代EUV***，主要特點(diǎn)是物鏡系統(tǒng)的NA（數(shù)值孔徑）為0．33。

ASML披露他們在研發(fā)新一代EUV***EXE：5000系列，NA指標(biāo)達(dá)到了0．55，主要合作伙伴是卡爾蔡司、IMEC比利時微電子中心。與之前的***相比，新一代***意味著分辨率提升了70％左右，可以進(jìn)一步提升***的精度，畢竟ASML之前的目標(biāo)是瞄準(zhǔn)了2nm甚至極限的1nm工藝的。

編輯點(diǎn)評：新一代EUV***預(yù)計至少到2022年才能出貨，大規(guī)模出貨要到2024年甚至2025年，屆時，臺積電和三星按預(yù)期也應(yīng)該在推進(jìn)3nm及以下制程工藝的生產(chǎn)了。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈很長，但每一項巨大進(jìn)步背后都是產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)大量小進(jìn)步積累的結(jié)果。***是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)非常重要且關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，它的進(jìn)步對于整個產(chǎn)業(yè)整體的進(jìn)步非常重要。

全國首臺億級神經(jīng)元類腦計算機(jī)發(fā)布

9月1日，浙江大學(xué)聯(lián)合之江實(shí)驗(yàn)室在杭州發(fā)布一款包含1．2億脈沖神經(jīng)元、近千億神經(jīng)突觸的類腦計算機(jī)Darwin Mouse。

這是我國第一臺基于自主知識產(chǎn)權(quán)類腦芯片的類腦計算機(jī)，該計算機(jī)使用了792顆由浙江大學(xué)研制的“達(dá)爾文二代”類腦芯片，支持1．2億脈沖神經(jīng)元、近千億神經(jīng)突觸，神經(jīng)元數(shù)量規(guī)模相當(dāng)于小鼠大腦，典型運(yùn)行功耗只需要350－500瓦。值得一提的是，Darwin Mouse也是目前國際上神經(jīng)元規(guī)模最大的類腦計算機(jī)。

研究團(tuán)隊還針對類腦計算機(jī)研發(fā)出了專用的操作系統(tǒng)——達(dá)爾文類腦操作系統(tǒng)（DarwinOS），實(shí)現(xiàn)對類腦計算機(jī)硬件資源的有效管理與調(diào)度，支撐類腦計算機(jī)的運(yùn)行與應(yīng)用。

這臺類腦計算機(jī)展示了統(tǒng)一調(diào)度多個機(jī)器人抗洪搶險場景下的協(xié)同工作。3臺機(jī)器人可分別承擔(dān)巡邏、搶險、營救任務(wù)。還展示了聽歌識曲、記憶語音、意念打字等功能。

編輯點(diǎn)評：由于類腦芯片巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市場前景，類腦智能技術(shù)已成為各國科技戰(zhàn)略重點(diǎn)和力推的核心科技發(fā)展領(lǐng)域。隨著美日德英等發(fā)達(dá)國家類腦研究發(fā)展戰(zhàn)略的出臺，中國的類腦科學(xué)研究項目也已經(jīng)正式啟動。但是類腦研究需要基于對人類大腦的深入認(rèn)知，雖然近10年來，人們對這個大腦這個神秘器官的認(rèn)知迅速增長，但大腦的終極奧秘依然是一個謎團(tuán)。

總而言之，盡管當(dāng)前類腦芯片無論在規(guī)模還是智力上與真實(shí)的人腦仍存在很大差距，但是它也具備人腦無法企及的優(yōu)勢。如今，全世界類腦科學(xué)研究的新賽道已經(jīng)形成，相信接下來會涌現(xiàn)出不少顛覆性理論和革命性技術(shù)成果。

英國研發(fā)新一代革命性內(nèi)存技術(shù)：10ns延遲、功耗僅有1％

2020年1月下旬消息，美光、三星等公司年內(nèi)會推出新一代的DDR5內(nèi)存，最高速率可達(dá)6400Mbps，將逐步取代DDR4內(nèi)存。

然而，盡管現(xiàn)今的DRAM內(nèi)存技術(shù)一直在做技術(shù)升級，但其技術(shù)瓶頸也日益顯現(xiàn)。

科研人員正在尋找新的替代性內(nèi)存技術(shù)，英國科研人員的這種研究成果，或許將是內(nèi)存產(chǎn)業(yè)的未來新方向——延遲可低至10ns，功耗僅為現(xiàn)有技術(shù)的1％。

業(yè)界一直在尋求完美的「內(nèi)存」芯片——低延遲、高帶寬、功耗低、容量大，成本低，同時，不能因斷電而損失數(shù)據(jù)……Intel的傲騰內(nèi)存基于PCM相變內(nèi)存技術(shù)，在可靠性、延遲等方面已大幅領(lǐng)先現(xiàn)今的閃存，更接近DRAM內(nèi)存芯片了，但超越內(nèi)存還達(dá)不到。

據(jù)外媒報道，英國的研究人員找到了一種新型的「內(nèi)存」，使用的是III－V族材料，主要是InAs砷化銦和AlSb銻化鋁，制成的NVDRAM非易失性內(nèi)存具備優(yōu)秀的特性，在同樣的性能下開關(guān)能量低了100倍——即功耗只有現(xiàn)有DRAM內(nèi)存的1％，同時，其延遲可低至10ns。

編輯點(diǎn)評：這種新型材料制成的內(nèi)存芯片宣稱具備三大特性——超低功耗、寫入不破壞數(shù)據(jù)、非易失性。雖然其性能相比現(xiàn)今DRAM內(nèi)存并沒多大提升，10ns級延遲也與DDR4內(nèi)存差不多，但三大特性，尤其是非易失性，即足以掀起「內(nèi)存」革命了。

當(dāng)然，作為理論性的科研，英國研發(fā)人員暫時還只是找到了新一代III－V材料內(nèi)存的理論方向，真正大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)的時候還難以預(yù)見，甚至最終是否會是這種技術(shù)打敗其他技術(shù)實(shí)現(xiàn)落地量產(chǎn)也不一定……

超級存儲？新技術(shù)讓存儲芯片容量提高上千倍

讓存儲芯片容量提高1000倍的超級存儲技術(shù)要來了？

8月，韓國技術(shù)信息部宣布，該國UNIST 能源與化學(xué)工程學(xué)院李俊熙教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊，提出了一種新的物理現(xiàn)象，利用FRAM（鐵電體存儲器）技術(shù)，可以替代當(dāng)前主流的DRAM或NAND閃存，有望將指甲大小的存儲芯片存儲容量提高1000倍。

據(jù)介紹，F(xiàn)RAM技術(shù)通過極化現(xiàn)象來存儲信息，其中電偶極子（如鐵電內(nèi)部的NS磁場）被外部電場對準(zhǔn)。通過向鐵電體物質(zhì)氧化鉿（HfO2）中施加3－4V的電壓，可以讓原子間的力量斷裂，每個原子都可以自由移動，從而可以控制四個單獨(dú)的原子來存儲1位數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有的存儲技術(shù)研究顯示，最多只能在數(shù)千個原子的組中存儲1位數(shù)據(jù)。因此，通過FRAM技術(shù)可以讓半導(dǎo)體存儲器存儲容量達(dá)到500 Tbit／cm2，是當(dāng)前可用閃存芯片的上千倍。理論上，線幅也可被縮小至0．5nm。

李俊熙教授表示：「在原子中儲存信息的技術(shù)，在不分裂原子的情況下成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)終極儲存技術(shù)的幾率很高?！闺m然還處在實(shí)驗(yàn)室階段，但這項研究也普遍被業(yè)界看好，最大的原因在于FRAM是當(dāng)前已經(jīng)存在的半導(dǎo)體材料，被認(rèn)為商用化的可能性非常高。

資料顯示，F(xiàn)RAM中的F即Ferromagnetic，F(xiàn)RAM即「鐵電體隨機(jī)存取存儲器」。

FRAM實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的原理是利用鐵電晶體的鐵電效應(yīng)，「鐵電效應(yīng)」指，在鐵電晶體上施加一定的電場時，晶體中心原子在電場的作用下運(yùn)動，并達(dá)到一種穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)電場從晶體移走后，中心原子會保持在原來的位置。由于晶體的中間層是一個高能階，中心原子在沒有獲得外部能量時不能越過高能階到達(dá)另一穩(wěn)定位置，因此FRAM保持?jǐn)?shù)據(jù)不需要電壓，也不需要像DRAM一樣周期性刷新。

編輯點(diǎn)評：隨著市場需求的增加，用戶也對企業(yè)級存儲系統(tǒng)的訪問性能、存儲協(xié)議、管理平臺、存儲介質(zhì)以及其他各種應(yīng)用配置提出了更高的要求。尤其是以云計算、大數(shù)據(jù)為主要業(yè)務(wù)的企業(yè)，在存儲芯片、設(shè)備、系統(tǒng)等方面將迎來更多的選擇。

超級存儲技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)的閃存或DRAM，預(yù)計將更多的被用在移動計算、航天航空、軍事應(yīng)用、企業(yè)系統(tǒng)、汽車行業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)以及工業(yè)市場等?；诔壌鎯夹g(shù)，最普通的設(shè)備也有望達(dá)到T級別的數(shù)據(jù)容量，大大方便人們的存儲需求。

與此同時，超級存儲技術(shù)還涉及到存儲和數(shù)據(jù)容災(zāi)、虛擬化、數(shù)據(jù)／安全／壓縮、重復(fù)數(shù)據(jù)刪除、自動精簡配置等功能特性，這些方面完善和優(yōu)化都需要占用不少能耗資源，如何在滿足超大存儲的同時，實(shí)現(xiàn)低功耗、多功能等特性，是存儲產(chǎn)業(yè)的重要努力方向。

Nature：芯片散熱技術(shù)重大創(chuàng)新，冷卻性能增加 50 倍

芯片散熱問題在一定程度上能夠反映出芯片的能耗水平，高速的運(yùn)算產(chǎn)生的熱量如果無法及時散發(fā)出去，就會對芯片性能造成嚴(yán)重影響。電腦中可以為CPU配備一個小風(fēng)扇進(jìn)行散熱的，但是在5G行業(yè)，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心需要將30％至40％的能耗花費(fèi)在冷卻散熱上，要消耗大量的能源和水資源。如何解決芯片散熱問題成為了業(yè)界廣為關(guān)注的話題。

（截圖自Nature）

今年9月9日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的 Elison Matioli 教授及其研究團(tuán)隊在Nature上發(fā)表了一項最新研究成果，在芯片冷卻技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)了新突破。研究人員使用微流體電子協(xié)同設(shè)計方案，在同一半導(dǎo)體的襯底內(nèi)將微流體和電子元器件進(jìn)行協(xié)同設(shè)計，生產(chǎn)出一個單片集成的歧管微通道冷卻結(jié)構(gòu)，可以有效地管理晶體管產(chǎn)生的大熱通量。

研究人員開始探索使用冷卻劑與設(shè)備直接接觸的方式，來實(shí)現(xiàn)更高的冷卻性能。他們提出在具有外延層的單晶硅襯底上設(shè)計的單片集成的多歧管微通道（mMMC）散熱器。由于器件的設(shè)計和散熱器的制造是在同一過程中結(jié)合在一起，冷卻通道直接嵌入在芯片的有效區(qū)域下方。因此冷卻劑可以直接撞擊熱源，提供局部和有效的散熱。

結(jié)果顯示，該冷卻結(jié)構(gòu)僅使用 0．57 瓦／平方厘米的泵送功率，就可以輸送超過 1．7 千瓦／平方厘米的熱通量，其冷卻效果超出當(dāng)前所使用的結(jié)構(gòu)的效果。

編輯點(diǎn)評：近年來，研究人員開始探索將液體冷卻模塊直接嵌入芯片內(nèi)部，以實(shí)現(xiàn)更加高效的制冷效果的新技術(shù)，但這一技術(shù)仍未解決電子設(shè)備和冷卻系統(tǒng)分開處理的困境，從而無法發(fā)揮嵌入式冷卻系統(tǒng)的全部節(jié)能潛力。而mMMC這種冷卻技術(shù)能夠設(shè)計出更加緊密的電子設(shè)備，并大大減少全球因系統(tǒng)冷卻而消耗的能源。顯然，這項設(shè)計可以直接去除當(dāng)前數(shù)據(jù)中心對于大型外部散熱器的需求。

首次突破1開爾文！Intel掌握「熱」量子計算機(jī)技術(shù)

4月，Intel與其合作伙伴QuTech在權(quán)威學(xué)術(shù)雜志《自然》上發(fā)布了一項全新的研究成果——「熱」量子計算機(jī)技術(shù)。

該技術(shù)據(jù)稱可在溫度大于1開爾文的情況下，成功控制「熱」量子計算的基本單位。

提高量子計算的工作溫度對于將其擴(kuò)展應(yīng)用到更多的應(yīng)用領(lǐng)域非常重要。

量子比特對應(yīng)經(jīng)典的計算比特，可以通過超導(dǎo)電路實(shí)現(xiàn)或在半導(dǎo)體（比如硅）內(nèi)形成。存儲在這種量子比特中的信息通常會很快丟失，因?yàn)闊崃慨a(chǎn)生的振動會干擾量子比特，進(jìn)而影響性能，要解決這種問題，就需要在接近絕對0度的環(huán)境下進(jìn)行，要創(chuàng)造這種環(huán)境，需要投入大量費(fèi)用用于制冷。

Intel成功實(shí)現(xiàn)了在1．1開爾文溫度的「熱」環(huán)境下運(yùn)行量子電路的成就，在運(yùn)行溫度上的要求比以往更寬松，更易實(shí)現(xiàn)。

據(jù)悉，這項研究把限制在硅中的電子自旋作為量子比特，并與周圍能在超過1開爾文溫度下正常運(yùn)作的材料很好地隔離開來。在這個溫度下，可以引入定域電子來操控量子比特，研究人員認(rèn)為，這是將這類量子處理器擴(kuò)展至百萬量子比特的先決條件。

盡管此次升溫幅度不大，但這是量子計算機(jī)技術(shù)一個重要的里程碑，因?yàn)闇囟忍嵘?開爾文以上后，搭建平臺的成本將大幅降低，這有助于量子計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步研發(fā)普及。

據(jù)悉，Intel的這項研究建立在推進(jìn)全棧量子系統(tǒng)開發(fā)方向持續(xù)工作的基礎(chǔ)上，包括去年年底推出的首款馬脊低溫量子控制芯片。

編輯點(diǎn)評：今年12月，中科大宣布，該校潘建偉等人成功構(gòu)建了76個光子的量子計算原型機(jī)「九章」，求解數(shù)學(xué)算法高斯玻色取樣（Gaussian Boson Sampling）只需200秒。2019年9月，Google懸鈴木量子計算機(jī)的實(shí)現(xiàn)「量子優(yōu)越性」的消息也早已傳開。

量子計算的種種美好前景，需要更多企業(yè)、機(jī)構(gòu)參與進(jìn)來，一步步克服各種困難，才有希望實(shí)現(xiàn)。

芯片上的“大腦”：麻省理工人工大腦突觸研發(fā)新進(jìn)展

今年6月，麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員發(fā)表了關(guān)于新型人工大腦神經(jīng)突觸的論文，其中提到與目前已有的人工突觸相比，這種突觸在性能上有很大提升，它的物理體積比一片紙屑還小，卻可以容納數(shù)以萬計的硅基元件。在體積小且節(jié)能的同時，新型芯片有助于研究人員開發(fā)出能夠在不連接數(shù)據(jù)中心的情況下，也可以執(zhí)行復(fù)雜AI計算任務(wù)的設(shè)備。

在研究中展示了一種新穎的“憶阻器”（Memristors）設(shè)計，其本質(zhì)上是用硅來模擬大腦的信息傳輸突觸，但也可以用銀和銅的合金。這種芯片能夠有效地“記住”并重現(xiàn)出非常詳細(xì)的圖像，與已有的同類型技術(shù)相比，它能“記住”的圖像更加清晰和詳細(xì)。

據(jù)悉，MIT研發(fā)的芯片，其包含的憶阻元件在表示信息時更像是大腦，也就是最原始的模擬計算機(jī)。大腦和計算機(jī)在處理和表達(dá)信息時雖然有相似之處，但有些神經(jīng)元的信息輸出是通過分級的電信號傳輸?shù)?，其大小可以連續(xù)變化，可以比晶體管采用的數(shù)字信號傳輸出更多的信息。憶阻元件還可以記住特定的狀態(tài)，之后在多次接收相同的輸入電流時，很輕易就能重現(xiàn)相同的信號。

此外，冶金學(xué)也為研發(fā)團(tuán)隊提供了不少靈感。在冶金學(xué)中，當(dāng)冶金學(xué)家想改變一種金屬的性能時，他們會把它與另一種具有所需性能的金屬結(jié)合，制造出一種合金。受此啟發(fā)，研究人員也發(fā)現(xiàn)一種可以與被用來作為憶阻器正極的銀相結(jié)合的元素，從而使其能夠更穩(wěn)定地沿著非常薄的傳導(dǎo)通道傳遞離子。這就是芯片研發(fā)的關(guān)鍵所在。

不僅能夠倚靠“記憶”準(zhǔn)確地重現(xiàn)圖像，也可以執(zhí)行推斷任務(wù)，比如基于命令提高或模糊原始圖像，這塊芯片的表現(xiàn)性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于之前研發(fā)出的其他記憶電阻器。

編輯點(diǎn)評：雖然新型人工突觸的研發(fā)還有很長的路要走，但是MIT的研究必定會促進(jìn)便攜式人工大腦計算機(jī)的出現(xiàn)。人工大腦計算機(jī)最大的好處就在于，可以像目前的超級計算機(jī)一樣執(zhí)行非常復(fù)雜的任務(wù)，但是卻不需要任何網(wǎng)絡(luò)連接。

中科院低維半導(dǎo)體技術(shù)：納米畫筆“畫”芯片

今年3月，中科院宣布研發(fā)出了一種簡單的制備低維半導(dǎo)體器件的方法——用“納米”勾勒未來光電子器件，它可以“畫出”各種需要的芯片。

中科院表示，可預(yù)期的未來，需要在更小的面積集成更多的電子元件。針對這種需求，厚度僅有0．3至幾納米（頭發(fā)絲直徑幾萬分之一）的低維材料應(yīng)運(yùn)而生。

這類材料可以比作超薄的紙張，只是比紙薄很多，可以用于制備納米級別厚度的電子器件。由于二維材料如同薄薄的一張紙，它的性質(zhì)很容易受到環(huán)境影響。利用這一特性，研究人員在二維材料表面覆蓋一層鐵電薄膜，使用納米探針施加電壓在鐵電材料表面掃描，通過改變對應(yīng)位置鐵電材料的性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)對二維材料性質(zhì)的精準(zhǔn)操控。

當(dāng)設(shè)計好器件功能后，科研人員只需發(fā)揮想象，使用納米探針“畫筆”在鐵電薄膜“畫布”上畫出各種各樣的電子器件圖案，利用鐵電薄膜對低維半導(dǎo)體材料物理性質(zhì)的影響，就能制成所需的器件。

實(shí)驗(yàn)中，“畫筆”是原子力顯微鏡的納米探針，相當(dāng)于傳統(tǒng)晶體管的柵電極，可以用來加正電壓或負(fù)電壓。但不同于傳統(tǒng)柵電極，原子力顯微鏡的針尖可以任意移動，在水平空間上可以精確“畫出”納米尺度的器件。

在這個過程中，研究人員通過控制加在針尖上電壓的正負(fù)性，就能輕易構(gòu)建各種電子和光子器件，比如存儲器、光探測器、光伏電池等等。

據(jù)悉，本研究由中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所與復(fù)旦大學(xué)、華東師范大學(xué)、南京大學(xué)，中國科學(xué)院微電子研究所等多個課題組合作完成。研究成果已于2020年1月24日發(fā)表于《自然－電子學(xué)》。

編輯點(diǎn)評：“神筆馬良”的故事想必大家都聽過，如今隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對半導(dǎo)體技術(shù)的要求越來越高，但是半導(dǎo)體制造難度卻是越來越大，10nm以下的工藝極其燒錢，芯片制造若是迎來這根“神筆”，或許也是一大福音。

責(zé)任編輯：xj