2023年半导体行业的十大重要故事

王中泰

2023年半导体行业的十大重要故事

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。

内容来源：半导体产业纵横