本报告总结了IEEE Spectrum杂志2023年报道的10项半导体行业重大新闻。主要内容包括谷歌芯片设计工作中的人工智能争议、美国半导体人才培养计划、热晶体管和背部供电等新技术、氮化镓和碳化硅材料创新，以及硅基光电子激光光源集成和高速半导体等领域的重大突破。报告重点介绍了2023年对半导体行业影响最深远的事件。


导言

IEEE Spectrum杂志公布2023年半导体行业十则重要新闻，深入剖析形成今年半导体格局的关键技术创新和产业动态[1]。这些不同题材的新闻报道涉及更多内容，如摩尔定律未来发展前景、芯片制造业可持续性规划，以及提升性能的全新架构方案。此外，人工智能在芯片设计领域的争议和半导体业人才缺口问题也占据头条。本报告归纳总结IEEE Spectrum十则重要新闻及其对产业的重要启示。


人工智能芯片设计争议

今年最大新闻是谷歌芯片团队为其AI加速器（TPU）设计芯片布局工作流程引发的人工智能争议。争议焦点是谷歌采用的一套增强学习人工智能系统，用于设计谷歌AI加速器（TPU）的逻辑布局和内存分布。2021年发表在《自然》杂志的一篇论文声称，该AI系统找到的芯片最佳布局方案胜过顶级学术算法和人工设计。但谷歌内一个竞争小组质疑该结论，谷歌拒绝公布该组的研究结果。在一场重要学术会议前信息遭到泄露，争论随之白热化。

一年后，IEEE院士Andrew Kahng领衔的一个研究小组发表研究结果，意在使该领域研究团体走出这一不快事件。Kahng的研究结果在很大程度上证实了竞争小组的论点。随后，《自然》杂志发表声明表达关注，Kahng也撤回了最初发表在谷歌论文旁的社论。然而谷歌公司仍坚定支持其AI系统。2023年8月，谷歌DeepMind首席科学家杰夫·迪恩（Jeff Dean）表示，相比TPU团队使用的其他芯片布局方法，在37个TPU模块中，AI找到的方案使26个模块性能更优，7个模块性能相当。这场风波揭示了芯片设计的丑陋一面，也突显了人工智能能力被高估的风险。


半导体业人才培养计划

随着美国《芯片法案》批准芯片在美国国内生产大量资金投入，如何配备新厂房人员成为重点议题。芯片厂项目所在地区大学积极改革半导体专业教育，通过人才培养渠道引导学生从事芯片制造，避免流入人工智能等热门领域。加强工程技术人才队伍是利用美国芯片制造投资的关键。


热晶体管问世

加州大学洛杉矶分校研究人员发明了第一个热晶体管，这是一种使用电信号调节热流的固态器件。作为热逻辑技术，可能大幅推动先进处理器散热管理。与现有方案不同，热晶体管可以兆赫级速率开启和关闭热导率，对温度变化响应更迅速。热晶体管打开了调控芯片散热新篇章。


极紫外光刻技术升级

光刻机是制造芯片的核心设备，它的作用是将芯片的设计图案通过光学原理投影到硅片上，形成芯片的电路结构。光刻机的性能决定了芯片的制程工艺，即芯片上晶体管的尺寸和密度，从而影响着芯片的性能和功耗。一般来说，制程工艺越先进，芯片的性能越高，功耗越低。



目前，世界上最先进的光刻机技术是EUV光刻机技术，即极紫外光刻机技术，它使用的光源波长只有13.5纳米，可以制造出7纳米甚至5纳米以下的芯片。EUV光刻机技术的研发难度极高，目前只有荷兰的ASML公司掌握了这项技术，并且只有少数几个国家和企业能够购买和使用它。

ASML详细介绍了其极紫外光刻系统升级方案，以继续推动摩尔定律进步。极紫外光刻已经成为主流，但未来的特征尺寸缩减需要突破约13.5纳米的光源极限。这需要通过光学和其他部件创新来打印更小特征图案。ASML还开发了制程绿色化技术，这些提升都将继续驱动摩尔定律进展。

氮化镓与碳化硅竞相追求可持续性

与传统硅器件相比，碳化硅和氮化镓效率大幅提升。Spectrum杂志研究了两种材料各自的优势及最佳应用场景。尽管生产过程具有挑战，但碳化硅和氮化镓等宽带隙材料，将在电力电子产品和充电应用中带来巨大的碳减排效应。材料创新被视为实现可持续技术的关键驱动力。


背面供电引入

英特尔等芯片企业试图通过将电源传输网络转移到硅芯片背面来重塑芯片供电架构。该“电源通孔”背面供电技术采用更宽更短的互连布线以降低功率损耗。去除正面供电也释放空间进行更紧凑的组件布局。英特尔预计2024年产品将通过结合电源通孔和新型丝带场效应管实现约6%的性能提升，展示三维集成的潜力。


硅基光电子芯片激光光源集成进展

在硅芯片上集成激光光源一直是难点，但解决挑战将大幅加速芯片间数据传输。工程师在异质集成激光器实际技术上取得进展。Spectrum杂志介绍了四种不同的制造级方案，包括直接外延生长三五族化合物到硅基板，以及混合键合技术等。这些技术成熟将增强硅基光电子芯片功能。


硬币大小的粒子加速器

粒子加速器的大小不一，有的可以装在实验室里，有的则需要占据几公里甚至几十公里的空间。然而，一项新的研究发现，现在科学家们正在更仔细地研究芯片大小的电子加速器。该技术的近期潜在应用包括用于精准治疗，替代那些更有破坏性的放疗，这种放疗可以杀死癌细胞，以及新型激光和光源。

粒子加速器通常推动金属管或金属环内的粒子。它们加速粒子的速率受到金属表面所能承受的峰值场的限制。传统加速器的尺寸从医学应用的几米到基础研究的几公里不等。他们使用的电场通常在每米数百万伏的规模上。

相比之下，电绝缘介电材料（导电性不好但能很好地支持静电场的材料）可以承受数千倍强的光场。这使得科学家们开始研究制造依赖激光投掷粒子的介电加速器。这种设备可能会导致“芯片上的加速器”比传统机器小很多倍，也便宜很多倍。

德国科学家通过在硅基板上蚀刻纳米级沟道，使用光波产生电场梯度，实现了迄今最小的粒子加速器。虽然加速能量目前仅为电子伏特段，但这一验证展示了将加速器进一步缩小应用于医疗和科研的可能性。“微型加速器”概念可能大大扩展加速器应用场景。

史上最高速的半导体材料

哥伦比亚大学研究人员报告一种含铼、硒和氯的分子半导体，创下迄今最高荷载运输速率记录。该分子形成独特超级簇，其声子特性使激发子快速流动而不发生散射。如果能解决稀有金属铼的扩展性限制，这种超级激发子材料可能开启超高速电子器件新纪元。


光子融合产生实用太阳能

斯坦福大学研究人员通过“融合”光子的复杂过程将太阳电池无法吸收的低能光子转换为高能光子，有望显著提高光电转换效率。他们通过分子间能量和电子交换，实现两个红外光子融合生成一个可见光光子。这项技术有待落地应用，但其意义可能极大提升太阳能电池性能极限。


结语

从人工智能到材料科学，IEEE Spectrum杂志评选的2023年十则半导体重要新闻，突出产业面临的迫切技术需求和创新方向。半导体业人才培养、创新的三维集成背面供电架构和硅基光电子技术的片上光源集成都占有重要位置。与此同时，产业与学界不断加强合作，在速度、功率和制造能力等方面实现技术性能改进。随着半导体产业需求激增，Spectrum杂志报道的多样化技术路径为行业发展提供了宝贵经验和启示。