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塑料也能成为芯片的材料?
2021年07月26日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

就像所有以设计计算机芯片为生的人一样,詹姆斯·迈尔斯(James Myers)也是芯片设计师。“硅是杰出的,”他说。这是因为它是一种天然的半导体——根据不同的条件,它既能导电又能充当绝缘体——还因为它可以在小范围内进行设计中国化工网okmart.com。这是因为它是地球上第二常见的元素,可能现在就附着在你的脚底上,而且很容易通过加热沙子产生。这些特性使它成为我们今天使用的几乎所有技术的基础。像英国半导体公司Arm的工程师迈尔斯这样的人,大部分时间都在思考如何在更小的空间里封装更多的硅——从20世纪70年代的每片芯片拥有数千个晶体管到今天的数十亿个。有了摩尔定律,我们就像迈尔斯说的,“在硅里游泳”。


然而,在过去的几年里,迈尔斯一直在把目光投向硅以外的其他材料,比如塑料。这意味着要从头再来。几年前,他的团队开始设计包含数十个晶体管的塑料芯片,然后是数百个,现在,正如《自然》杂志周三报道的那样,已经有数万个了。32位微处理器包含18000个逻辑门(你从晶体管中得到的电子开关)和计算机大脑的基本叶:处理器、内存、控制器、输入和输出等。至于它能做什么?想想上世纪80年代早期的桌面电脑。


 为什么要把科技时光倒流呢?因为现代硅芯片是易碎的,不灵活的电子晶圆。在压力下,他们会嘎吱作响。虽然硅很便宜,而且越来越便宜,但在某些情况下,它可能永远都不够便宜。假设把一个电脑芯片放在牛奶盒里,用一个检测化学变质迹象的传感器代替打印的过期日期。有用吗?有几分!但只有在成本极低的情况下,才值得增加数十亿盒牛奶。Arm正在测试的一种应用是一种安装在胸部的芯片,它可以监测病人的心律失常(一种不稳定的、轻快的心跳),但几个小时后就会被丢弃。因此,你想要一台便宜的电脑,但更重要的是,一台能弯曲的电脑。迈尔斯说:“它需要与你一起移动,而不是突然消失。”


一些材料理论上可以满足这些需要。研究人员已经用有机材料和设计好的衬底制造了晶体管,衬底是晶体管的晶片,衬底是金属箔甚至是纸张。周三,Myers的团队描述的芯片是由金属氧化物制成的“薄膜晶体管”组成,金属氧化物是铟、镓和锌的混合物,可以比硅更薄。衬底是聚酰亚胺,一种塑料,而不是硅片。它便宜、薄、灵活,但在设计上有点麻烦。塑料的熔化温度低于硅,这意味着一些涉及加热的生产技术不再适用。而且这种薄晶体管可能存在缺陷,这意味着能量不能像芯片制造商所期望的那样在电路中移动。与现代芯片相比,这种设计也消耗了更多的能量。迈尔斯指出,上世纪七八十年代,同样的问题困扰着芯片制造商。他现在能同情他的老同事了。


与现代64位硅处理器中的数十亿个门相比,18,000个门听起来并不多,但迈尔斯自豪地谈到它们。当然,微处理器并没有做太多事情。它只是运行他五年前编写的一些测试代码,以确保所有组件都正常工作。该芯片可以运行与Arm常见的基于硅的处理器之一相同类型的代码。


该研究的合著者兼PragmatIC技术高级副总裁Catherine Ramsdale解释说,与硅器件的一致性是关键,该公司与Arm一起设计和生产柔性芯片。虽然材料是新的,但其想法是尽可能多地借鉴硅芯片的生产过程。这样,更容易批量生产芯片并降低成本。Ramsdale表示,这些芯片的成本可能是同类硅芯片的十分之一,因为塑料便宜且设备需求减少。她说,是的,这是一种“务实”的处事方式。


斯坦福大学(Stanford University)的电气工程师埃里克·波普(Eric Pop)没有参与这项研究,他说,这种芯片的复杂性及其包含的晶体管数量给他留下了深刻印象。“这推动了技术的进步,”他说。但实用主义也有局限性。最清楚的是这个设备消耗了多少能量。该芯片消耗21毫瓦的能量,但其中只有1%用于执行计算;其余的都被浪费了,因为芯片处于闲置状态。他解释说,在户外,用一个比邮票还小的太阳能电池就可以生产这种芯片——换句话说,不是很多——但随着柔性芯片变得越来越复杂,这并不是提高效率的好起点。“你要做什么,把自己连到一个巨大的电池上吗?”流行问道。


迈尔斯说,这些小型芯片的计划是使用类似于智能手机支付的无线充电技术。但他承认芯片需要更节能——他相信在一定程度上是可以做到的。他说,目前的设计可以做得更小、更高效,也许足够扩大到10万个闸门。但这可能是极限。原因是它的设计相当简单。晶体管有两种形式,称为“N”和“P”。它们是互补的。有电压时打开,没有电压时关闭;另一种则相反。“你真的想拥有他们两个,”爸爸说。Arm芯片泄漏这么多能量的一个原因是它只有N型。使用Arm和PragmatIC选择的材料,P型晶体管的设计难度更大。


缩放的一个选择是转向其他柔性材料,如碳纳米管,因为这两种材料都更容易制造。波普实验室正在研究的另一种选择是,使用在刚性衬底上制造的二维材料,然后转移到柔性材料上,以减少晶体管的尺寸和功率需求。在这两种情况下,代价可能都是制造成本的增加。


Subhasish Mitra在斯坦福大学计算机科学家领导的第一个示范2013年碳纳米管电脑,说,虽然手臂的设计似乎不展示任何理论上的突破,研究人员似乎产生了一种相对简单的设备制造和用于实际应用。“时间会告诉我们应用程序开发者将如何利用这一点,”Mitra说。“我认为这是令人兴奋的部分。”


哪种柔性材料最终有意义将取决于芯片需要如何使用,波普解释说。例如,硅并不总是注定要成为我们设备的核心。有一段时间,科学家们认为这可能是锗——一种比硅更优越的半导体元素。但它并不叫“锗谷”。硅更容易获得,在某些方面也更容易设计。廉价的柔性芯片还处于早期阶段。我们需要纸质电子产品的可回收性吗?碳纳米管的潜在功率和规模?或许我们只是需要塑料的实用性。


也许摩尔定律不太可能适用于塑料芯片。拉姆斯代尔说:“我们并不是在寻找硅能出色发挥作用的市场。”该公司主要着眼于“硅被有效地过度设计”的用途。在硅领域,对更强大设备的需求推动了规模和功率的指数级增长。装在牛奶盒里的电脑芯片也是这样吗?也许回到上世纪80年代就足够了。


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