塑料也能成為芯片的材料?

就像所有以設計計算機芯片為生的人一樣,詹姆斯·邁爾斯(James Myers)也是芯片設計師。“硅是杰出的,”他說。這是因為它是一種天然的半導體——根據不同的條件,它既能導電又能充當絕緣體——還因為它可以在小范圍內進行設計。這是因為它是地球上第二常見的元素,可能現在就附著在你的腳底上,而且很容易通過加熱沙子產生。這些特性使它成為我們今天使用的幾乎所有技術的基礎。像英國半導體公司Arm的工程師邁爾斯這樣的人,大部分時間都在思考如何在更小的空間里封裝更多的硅——從20世紀70年代的每片芯片擁有數千個晶體管到今天的數十億個。有了摩爾定律,我們就像邁爾斯說的,“在硅里游泳”。

然而,在過去的幾年里,邁爾斯一直在把目光投向硅以外的其他材料,比如塑料。這意味著要從頭再來。幾年前,他的團隊開始設計包含數十個晶體管的塑料芯片,然后是數百個,現在,正如《自然》雜志周三報道的那樣,已經有數萬個了。32位微處理器包含18000個邏輯門(你從晶體管中得到的電子開關)和計算機大腦的基本葉:處理器、內存、控制器、輸入和輸出等。至于它能做什么?想想上世紀80年代早期的桌面電腦。

 為什么要把科技時光倒流呢?因為現代硅芯片是易碎的,不靈活的電子晶圓。在壓力下,他們會嘎吱作響。雖然硅很便宜,而且越來越便宜,但在某些情況下,它可能永遠都不夠便宜。假設把一個電腦芯片放在牛奶盒里,用一個檢測化學變質跡象的傳感器代替打印的過期日期。有用嗎?有幾分!但只有在成本極低的情況下,才值得增加數十億盒牛奶。Arm正在測試的一種應用是一種安裝在胸部的芯片,它可以監測病人的心律失常(一種不穩定的、輕快的心跳),但幾個小時后就會被丟棄。因此,你想要一臺便宜的電腦,但更重要的是,一臺能彎曲的電腦。邁爾斯說:“它需要與你一起移動,而不是突然消失。”

一些材料理論上可以滿足這些需要。研究人員已經用有機材料和設計好的襯底制造了晶體管,襯底是晶體管的晶片,襯底是金屬箔甚至是紙張。周三,Myers的團隊描述的芯片是由金屬氧化物制成的“薄膜晶體管”組成,金屬氧化物是銦、鎵和鋅的混合物,可以比硅更薄。襯底是聚酰亞胺,一種塑料,而不是硅片。它便宜、薄、靈活,但在設計上有點麻煩。塑料的熔化溫度低于硅,這意味著一些涉及加熱的生產技術不再適用。而且這種薄晶體管可能存在缺陷,這意味著能量不能像芯片制造商所期望的那樣在電路中移動。與現代芯片相比,這種設計也消耗了更多的能量。邁爾斯指出,上世紀七八十年代,同樣的問題困擾著芯片制造商。他現在能同情他的老同事了。

與現代64位硅處理器中的數十億個門相比,18,000個門聽起來并不多,但邁爾斯自豪地談到它們。當然,微處理器并沒有做太多事情。它只是運行他五年前編寫的一些測試代碼,以確保所有組件都正常工作。該芯片可以運行與Arm常見的基于硅的處理器之一相同類型的代碼。

該研究的合著者兼PragmatIC技術高級副總裁Catherine Ramsdale解釋說,與硅器件的一致性是關鍵,該公司與Arm一起設計和生產柔性芯片。雖然材料是新的,但其想法是盡可能多地借鑒硅芯片的生產過程。這樣,更容易批量生產芯片并降低成本。Ramsdale表示,這些芯片的成本可能是同類硅芯片的十分之一,因為塑料便宜且設備需求減少。她說,是的,這是一種“務實”的處事方式。

斯坦福大學(Stanford University)的電氣工程師埃里克·波普(Eric Pop)沒有參與這項研究,他說,這種芯片的復雜性及其包含的晶體管數量給他留下了深刻印象。“這推動了技術的進步,”他說。但實用主義也有局限性。最清楚的是這個設備消耗了多少能量。該芯片消耗21毫瓦的能量,但其中只有1%用于執行計算;其余的都被浪費了,因為芯片處于閑置狀態。他解釋說,在戶外,用一個比郵票還小的太陽能電池就可以生產這種芯片——換句話說,不是很多——但隨著柔性芯片變得越來越復雜,這并不是提高效率的好起點。“你要做什么,把自己連到一個巨大的電池上嗎?”流行問道。

邁爾斯說,這些小型芯片的計劃是使用類似于智能手機支付的無線充電技術。但他承認芯片需要更節能——他相信在一定程度上是可以做到的。他說,目前的設計可以做得更小、更高效,也許足夠擴大到10萬個閘門。但這可能是極限。原因是它的設計相當簡單。晶體管有兩種形式,稱為“N”和“P”。它們是互補的。有電壓時打開,沒有電壓時關閉;另一種則相反。“你真的想擁有他們兩個,”爸爸說。Arm芯片泄漏這么多能量的一個原因是它只有N型。使用Arm和PragmatIC選擇的材料,P型晶體管的設計難度更大。

縮放的一個選擇是轉向其他柔性材料,如碳納米管,因為這兩種材料都更容易制造。波普實驗室正在研究的另一種選擇是,使用在剛性襯底上制造的二維材料,然后轉移到柔性材料上,以減少晶體管的尺寸和功率需求。在這兩種情況下,代價可能都是制造成本的增加。

Subhasish Mitra在斯坦福大學計算機科學家領導的第一個示范2013年碳納米管電腦,說,雖然手臂的設計似乎不展示任何理論上的突破,研究人員似乎產生了一種相對簡單的設備制造和用于實際應用。“時間會告訴我們應用程序開發者將如何利用這一點,”Mitra說。“我認為這是令人興奮的部分。”

哪種柔性材料最終有意義將取決于芯片需要如何使用,波普解釋說。例如,硅并不總是注定要成為我們設備的核心。有一段時間,科學家們認為這可能是鍺——一種比硅更優越的半導體元素。但它并不叫“鍺谷”。硅更容易獲得,在某些方面也更容易設計。廉價的柔性芯片還處于早期階段。我們需要紙質電子產品的可回收性嗎?碳納米管的潛在功率和規模?或許我們只是需要塑料的實用性。

也許摩爾定律不太可能適用于塑料芯片。拉姆斯代爾說:“我們并不是在尋找硅能出色發揮作用的市場。”該公司主要著眼于“硅被有效地過度設計”的用途。在硅領域,對更強大設備的需求推動了規模和功率的指數級增長。裝在牛奶盒里的電腦芯片也是這樣嗎?也許回到上世紀80年代就足夠了。

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