半导体的故事 2023年度10大半导体故事｜盘点

2023年度10大半导体故事｜盘点

从谷歌号称“AI比人类更善于设计芯片”却惨遭打脸、不断反转，到美国芯片法案的天量资金快速涌入芯片制造业进而影响大学课程，再到背面供电的芯片、芯片上的粒子加速器、史上最快的半导体……

美国电子电气工程师协会（IEEE）旗下著名杂志《IEEE 纵览》（IEEE Spectrum）回顾了2023年半导体领域的10个大事件。

谷歌用AI画芯片还是画大饼？

2021年，谷歌大佬杰夫·迪恩（Jeff Dean）领衔团队于Nature发表论文《快速芯片设计的图形布局方法》（A graph placement methodology for fast chip design），称他们利用强化学习AI系统，在不到6小时里自动生成了芯片布局图，而且AI的设计优于顶尖学术算法和人类设计师。

此重磅消息引发行业轰动，以及随之而来的质疑。谷歌内部就有迪恩的竞争对手、后被解雇的研究员萨特拉吉特·查特吉（Satrajit Chatterjee）撰写文章表达反对意见。

后来，加州大学圣迭戈分校的安德鲁·卡恩（Andrew Kahng）团队研究了谷歌的Nature论文以及相关代码，并将质疑写成论文；2023年3月，文章被国际集成电路物理设计会议（ISPD）收录。卡恩的研究很大程度上支持查特吉等人的观点。

此后，Nature撤下了卡恩最初针对迪恩团队工作所发表的评论文章，并称赞谷歌的成果。2023年8月，迪恩表示，谷歌有一款引以为傲的TPU芯片（全称“张量处理单元”），研发团队使用AI或其他方式对TPU进行布局设计，结果发现AI使37个模块中的26个性能更优，7个不亚于其他方式。

不过到了9月，故事又有转折，Nature在迪恩的论文下附上一则声明：“请读者注意，本文中的性能声明已受到质疑，编辑正调查这些问题，一旦调查结束，将采取行动。”

美国大学欲建设半导体人才队伍

2022年8月，美国白宫正式签署《芯片和科学法案》。进入2023年后，新法案快速落地，数以千亿计的美元注入美国芯片行业。不过问题也出现了：谁去那些新建起来的芯片制造工厂里工作？

科学作家普拉奇·帕特尔（Prachi Patel）报道称，美国各地的大学，尤其是那些靠近晶圆厂建设项目的大学，正改进其半导体教育课程以应时势，旨在引导有才华的学生不被AI等热门行业诱惑，而投身AI之基石——芯片制造。

热晶体管：处理器散热新法宝

2023年11月，加州大学洛杉矶分校团队报道了他们发明的热晶体管。这是第一个使用电子信号控制热量流动的固体半导体器件。

散热问题一直限制着处理器性能，而且随着处理器演变为3D堆叠的小芯片集合，散热只会越来越困难。热晶体管能以1兆赫的超快速度开启和关闭导热，相比之下，当前常规方法（即便是非常先进的）对芯片温度变化的反应可谓迟缓。

光刻升级近在眼前

极紫外光刻（EUV光刻）技术已经打磨了数十年，直到几年前方才进入常规应用，在最先进的芯片上打印纳米级图案。眼下是升级的时候了。

荷兰光刻机巨头ASML的工程师表示，目前所用的技术版本仅用于制作分辨率约为其光波长，即13.5纳米的图案。要突破至更精细水平，工程师必须对系统光学器件进行一些重大改进，并解决随之而来的一系列问题。另外，这并非EUV的唯一改进，还有一些新技术旨在令光刻更加环保，例如能实现氢气回收的反向燃料电池。

氮化镓和碳化硅的绿色角逐

我们越来越重视半导体制造的碳排放问题了。

作为后起之秀，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的功率半导体比传统硅器件更高效。现在我们还不够了解这两种宽带隙半导体，不清楚它们在何种条件下能实现最理想工作效率，也难预测哪一种能笑到最后，不过有一件事是明确的，SiC和GaN半导体都不会导致大量碳排放。

IEEE Spectrum认为，SiC和GaN器件各有所长、相互竞争，一场宽带隙半导体的竞逐刚刚开始，而它们的发展、升级、更替，将对地球气候产生重大影响，有望在未来几年减少数十亿吨温室气体排放。

英特尔全力发展背面供电

芯片制造商计划对高端处理器的互连结构进行重大改变。

自从芯片发明以来，所有连接晶体管的金属线都在硅片上表面形成。这种方式几十年来都很管用，但它走到头了。承载数据的互连结构与承载功率的互连结构，二者所需要的东西存在根本性矛盾。

总的来说，如果承载功率的互连短而宽，功率损失就会更少。鉴于此，研究人员想出了一个方案：将功率传输网络移至硅的下表面，即“背面供电”，背面的金属线可以保持宽度和导电性，而硅上表面也有更多空间用于更好封装承载数据的线路。

英特尔是第一家宣布将使用背面供电技术制造芯片的制造商，并称这一解决方案为PowerVia。他们于2023年6月公布的数据显示，PowerVia本身可带来约6%的性能提升——大幅缩小晶体管对性能的改善也就比这个高一倍而已。英特尔计划于2024年使用PowerVia和新型晶体管RibbonFET的组合来制造CPU。

怎样将激光器集成到芯片上

硅的用途太多了，可惜，制造激光器并非其中之一。但假若能把激光器集成到硅芯片上，许多棘手的集成问题将迎刃而解，处理器和其他芯片之间的数据传输速度也将更快。

因此，工程师一直在寻找切实可行的方案，将由化合物半导体制成的激光器集成到硅晶圆上，并保证实现方式是易于制造、成本较低的。

来到2023年，这方面的研究越发成熟，IEEE Spectrum撰文介绍了四种极具前景的激光器集成策略，并乐观预测它们会在未来几年进一步发展，能够满足不同应用。

芯片上的粒子加速器

粒子加速器利用电场推动沿直线或环形金属管道的带电粒子，使其获得高能量。传统粒子加速器的尺寸小则几米，常见于医疗应用，大到数千米，往往用于基础研究；电场强度通常为数百万伏特每米。

2023年10月，科学家于Nature发文报道了芯片大小的超迷你版粒子加速器：加速通道宽225纳米、长0.5毫米；不加电场，而用激光照射来推动电子运动；从进入到离开，电子能量从28 400 电子伏特增至40 700电子伏特。

这种新型加速器可用标准的洁净室技术（例如电子束光刻技术）来创建，短期内有望用于皮肤癌的放射疗法等，从长远看，它或许能带来新型的激光和光源。

迄今为止最快的半导体

什么东西有6个铼原子、8个硒原子和12个氯原子？答案是迄今为止发现的最快最高效半导体。

2023年10月的《科学》（Science）文章介绍了这个Re6Se8Cl2分子：它形成了超团簇结构（superclusters），行为就像一个大型原子，但拥有铼、硒、氯都不具备的特性。Re6Se8Cl2的速度奥秘在于声子的行为。

声子是由固体振动形成的准粒子，可以看作量子化的声波。通常声子会通过干扰激子、束缚电子对和带正电的空穴减慢粒子运动速度，但Re6Se8Cl2中的声子不撞击激子，而与激子结合，产生一种新的准粒子，该准粒子能以两倍于电子运动的速度自由流过半导体。不过很可惜，铼是地球上最稀有元素之一。

2个低能光子=1个高能光子

硅太阳能电池相对便宜且供应充足，但它们把握不住阳光中的大量能量——光子能量小于硅带隙的光都无法被利用。那么，如果我们可以将原本难以利用的光变换至可利用呢？

众所周知，光子能量等于普朗克常量与光子频率，而光子的颜色也由能量/频率决定。按理来说，光的频率是给定的，但事实证明，我们可以通过所谓的上转换（upconversion）过程将两个低能光子转变为一个高能光子。斯坦福大学专家通过在多个分子和能态之间交换电子的复杂过程，成功将两个无法被硅利用的光子变成一个有用光子。

这对光伏发电意义重大。新技术的研发团队于IEEE Spectrum撰文介绍其工作，并表示通过上转换改变光子颜色的方法还有望应用于3D打印、组织成像、光遗传学、被动夜视等领域。

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2023 年十大半导体故事

1.结束芯片设计的“丑陋”篇章

2022 年，芯片设计界和谷歌内部爆发了争论。争议焦点在于强化学习人工智能系统，谷歌使用该系统为其人工智能加速器芯片（TPU）布局逻辑和内存块迈出了关键一步。在 2021 年《自然》杂志上发表的研究中，谷歌声称它在寻找最佳布局方面击败了顶级学术算法和人类芯片设计师。谷歌的一个竞争对手团队回应称没有，但该公司不会公布竞争对手的结果。

一年后，由IEEE 院士 Andrew Kahng领导的一个小组报告了一项研究，他表示这项研究旨在帮助社区度过这一不愉快的时期。Kahng的研究在很大程度上支持了竞争对手的观点。此后，《自然》杂志发表社论表达了担忧，Kahng撤回了谷歌论文最初附带的社论。但这家搜索巨头仍然支持其人工智能。就在 2023 年 8 月，谷歌 DeepMind 首席科学家Jeff Dean表示，与 TPU 团队可用的其他方法相比，TPU 的 37 个模块中有 26 个由于人工智能而具有更好的性能布局，37 个模块中有 7 个表现同样出色。

2.美国大学正在建设半导体人才队伍

随着《美国芯片和科学法案》将向美国的芯片制造注入数百亿美元，问题出现了：“谁将在这些新工厂工作？” 据长期撰稿人Prachi Patel报道，美国各地的大学，尤其是那些靠近晶圆厂建设项目的大学，正在改进其半导体教育课程作为回应。希望引导有才华的学生远离人工智能和其他热门领域的诱惑，并引导他们致力于制造使人工智能成为可能的芯片。

3.晶体管可以在没有移动部件的情况下处理热量

去年 11 月，加州大学洛杉矶分校的研究人员报告了热晶体管的发明，这是第一个使用电子信号控制热量流动的固态器件。散热一直是处理器性能的一个长期限制，并且随着处理器成为3D 堆叠小芯片的集合，它只会变得更加困难。与热晶体管相比，即使是当今的先进方法，对芯片温度变化的反应也很慢，而热晶体管可以以 1 兆赫的速度快速打开和关闭热导。

4.光刻机进一步延续摩尔定律

极紫外光刻技术已经酝酿了数十年，直到几年前才进入常规应用，在最先进的芯片上打印纳米级图案。已经到了升级的时候了。正如 ASML 的工程师所解释的那样，目前使用的技术版本仅限于制作分辨率约为其光波长 13.5 纳米的图案。为了低于这个限制，工程师必须对系统的光学器件进行一些重大改变，并解决随之而来的所有连锁问题。顺便说一句，这并不是 EUV 的唯一改进。类似于反向运行的燃料电池的新技术将使该技术更加环保。

5.氮化镓和碳化硅争夺绿色技术主导地位

我们越来越担心半导体制造的污染，但这个故事实际上正在被解决。碳化硅和氮化镓功率半导体都比硅同类产品更高效。IEEE Spectrum试图回答的问题是：这些宽带隙半导体中哪种在什么情况下工作效果最好？答案很复杂但很有趣。有一件事是明确的，这两种半导体都会阻止大量碳进入大气。

6.英特尔全力发展背面供电

芯片制造商计划对高端处理器的互连架构进行重大改变。自从 IC 发明以来，所有连接晶体管的金属都是在硅表面上方形成的。这种做法几十年来一直行之有效，但它必须结束了。数据承载互连所需的内容和电力承载互连所需的内容之间存在根本性的紧张关系。基本上，如果承载功率的互连又短又宽，功率损失就会更少。因此，研究人员想出了一个方案，将电力传输网络移至硅的底部，在那里金属线可以保持宽且导电。这就留下了更多的空间来更好地封装上面的数据承载线。英特尔是第一家宣布将使用背面供电技术制造芯片的芯片制造商，该技术被称为 PowerVia。6 月份，该公司分享的结果显示，PowerVia 本身可带来约 6% 的性能提升，这大约是晶体管大幅缩小所带来的性能提升的一半。英特尔将于2024 年使用 PowerVia 和称为 RibbonFET 的新型晶体管组合来制造 CPU 。

7.将激光器置于硅上的 4 种方法

硅有很多用途。制造激光器不是其中之一。但在硅芯片上安装激光器可以解决许多尴尬的集成问题，有助于加速处理器和其他芯片之间的数据传输。因此，工程师们一直在想出实用的方法，将由化合物半导体制成的激光器集成到硅晶圆上，并以可制造且相对便宜的方式实现。

8.芯片上的粒子加速器变小

很少有技术能够同时拥有城市大小和小硬币大小的版本。但现在粒子加速器可以做到这一点。德国科学家没有使用电场来提高电子在长轨道上的速度，而是使用光来让电子穿过一个仅纳米宽、0.5 毫米长的凹槽。在这个尺度上，加速电子前进的电场来自光的振荡电场。在加速器的影响下，电子的速度提高了 40%。科学家们希望有一天能够将它们提高到对医学研究和其他应用有用的速度。

9.研究人员发现了迄今为止最快的半导体

什么有 6 个铼原子、8 个硒原子和 12 个氯原子？迄今为止发现的最快的半导体，就是这样。这种分子形成超团簇，其作用就像一个大原子，但具有这些元素中任何一种元素都没有的特性。其速度的秘密在于声子的行为，声子是由固体振动形成的准粒子。通常声子会减慢速度，部分是通过干扰激子、束缚电子对和带正电的空穴。该分子中的声子不会撞击激子，而是与激子结合，产生一种新的准粒子，该准粒子以电子速度两倍的速度自由流过半导体。不幸的是，铼是地球上最稀有的元素之一。

10.光子聚变的实际力量

硅太阳能电池相对便宜且供应充足，但它们错过了阳光中的大量能量。基本上，不使用能量小于硅带隙的颜色光。但是如果我们可以将这些颜色变成硅的首选色调呢？斯坦福大学的研究人员解释了这是如何完成的。通过在多个分子和能态之间交换电子的复杂过程，他们找到了一种将两个无用的光子变成一个有用的光子的方法。这对光伏发电的影响可能是巨大的。

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