11 月 5 日消息，自 20 世紀(jì) 60 年代以來(lái)，電子工業(yè)的進(jìn)步一直遵循“越小越好”的規(guī)律。根據(jù)英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登?摩爾于 1965 年提出的“摩爾定律”，集成電路中的晶體管數(shù)量大約每年翻一番。然而，這一趨勢(shì)正逐漸逼近物理極限。
如今，沙特阿拉伯阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（KAUST）教授李曉航（2008 年本科畢業(yè)于華中科技大學(xué)，2015 年博士畢業(yè)于佐治亞理工學(xué)院）領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)看似簡(jiǎn)單卻具有革命意義的思路：既然芯片無(wú)法繼續(xù)變薄，那就“向上建造”。
41 層堆疊芯片問(wèn)世
李曉航團(tuán)隊(duì)成功設(shè)計(jì)出一款具有 41 層垂直堆疊的半導(dǎo)體與絕緣層芯片，其高度約為現(xiàn)有芯片的十倍。這項(xiàng)成果已于 10 月 17 日發(fā)表于《自然?電子學(xué)》，不僅是制造工藝上的重要突破，也為更靈活、更高效、更可持續(xù)的新一代電子設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。
李教授解釋說(shuō)：“當(dāng)我們?cè)诖怪狈较蚨询B六層或更多層晶體管時(shí)，就能在不縮小平面尺寸的情況下提高電路密度。以六層為例，我們可以在同一面積內(nèi)集成多達(dá) 600% 的邏輯功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高性能和更低能耗。”
摩爾定律的瓶頸與新思路
自 2010 年前后起，芯片制造商開(kāi)始遇到物理瓶頸。李曉航指出：“傳統(tǒng)硅基微電子中，摩爾定律正在觸及物理極限，但創(chuàng)新仍在繼續(xù)。我們不再單純追求晶體管更小，而是在探索新材料、新架構(gòu)和新方向，例如三維堆疊。”
晶體管摩天樓
李曉航將其團(tuán)隊(duì)的挑戰(zhàn)比喻為“建造一座摩天大樓”：“可以把每一層晶體管看作大樓的一層，如果某一層不平整，整棟大樓都會(huì)變得不穩(wěn)定。”研究的關(guān)鍵在于控制所謂的“界面粗糙度”，因?yàn)槿魏挝⑿〉牟黄秸伎赡芷茐碾娮恿鲃?dòng)，嚴(yán)重影響芯片性能。
其團(tuán)隊(duì)的根本突破是開(kāi)發(fā)出全新的制造策略，核心在于所有層的沉積都在接近室溫的條件下完成，以防損傷下層結(jié)構(gòu)。
李曉航解釋道：“多數(shù)柔性或有機(jī)材料無(wú)法承受高溫，而傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝通常超過(guò) 400℃，會(huì)導(dǎo)致這些材料熔化或變形。”通過(guò)低溫制造，研究人員可使用塑料或聚合物基底，從而為未來(lái)的柔性電子器件奠定基礎(chǔ)。
為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，團(tuán)隊(duì)制造了 600 個(gè)樣品芯片，性能表現(xiàn)一致。實(shí)驗(yàn)顯示，這些堆疊芯片在實(shí)現(xiàn)相同運(yùn)算功能的同時(shí)，功耗顯著降低，僅為 0.47 微瓦。
應(yīng)用前景：從可穿戴設(shè)備到“電子皮膚”
談及未來(lái)應(yīng)用，李曉航表示：“首批應(yīng)用場(chǎng)景可能包括可穿戴健康傳感器、智能標(biāo)簽和柔性顯示屏，這些領(lǐng)域?qū)Φ凸呐c機(jī)械柔性尤為依賴(lài)。”從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)想開(kāi)發(fā)出可覆蓋大面積的“計(jì)算表面”，即“電子皮膚”—— 能在物體或建筑表面實(shí)現(xiàn)感知、處理與通信。
他補(bǔ)充道：“我們開(kāi)發(fā)的電路面向那些對(duì)機(jī)械柔性、成本和可擴(kuò)展性要求高于運(yùn)算速度的系統(tǒng)。”在他看來(lái)，這項(xiàng)研究為計(jì)算技術(shù)打開(kāi)了新方向：“它證明性能提升不只依賴(lài)于器件變小，還可以通過(guò)在三維空間中更智能、更高效地集成來(lái)實(shí)現(xiàn)。”