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中国科学家攻克芯片电磁干扰难题｜前沿

知识分子 · 公众号 · 科学 · 2017-02-23 06:58

正文

►图为Advanced Materials封面

编者按：

1965年，Intel创始人戈登·摩尔提出了著名的摩尔定律：半导体芯片上可集成的元器件数目每12个月便会增加一倍。然而，受线路产生的热量、响应速度及密集线路间电磁干扰的限制，实际芯片的性能却并不能按摩尔定律描述的那样快速地提升，科学界也一直在努力攻克制约芯片发展的诸多难题。

近期，中国科学院化学研究所宋延林研究员课题组受蚂蚁群体智慧的启发，开发出了种巧妙的方法，找到了解决困扰芯片发展极限的电磁干扰难题的新途径。

撰文 | 武雪瑞（化学博士、中科幻彩首席运营官）

责编 | 吕浩然

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摩尔定律曾预言，半导体芯片上可集成的元器件的数目每12个月便会增加一倍。但是受线路产生的热量、响应速度及密集线路间电磁干扰的限制，如今，芯片性能提高的速度却越来越缓慢，因此，发展新的集成电路的优化设计与制备技术势在必行。

在设计电路板时，设计者意图在生物中寻找答案。正如人类大脑约有400亿皮层神经元，但不同神经间的有效连接竟不超过六个交叉节点。设计者们梦想构造出类似大脑的设计，但迄今为止，科学家已提出多种多样的串线优化概念，以提高集成电路的抗干扰性能，但基于传统思路的技术制造流程却极为复杂，且成品缺陷较多。

近日，中科院化学所宋延林研究员课题组受蚂蚁、蜜蜂和萤火虫等群体智慧的启发，即蚂蚁的巢穴并不是简单的直线连接，而是交叉排列，涉及到节点间最短连接问题，即SteinerTree排布。围绕着线路的优化设计，课题组提出了自组织结构思路。通过模仿蚂蚁以最低能量消耗的方式运动，课题组构造了材料液滴的自发收缩模型，使其在蒸发过程中的结构符合数学规律，实现节点间最短线路的连接，从而实现以自然简便的方式制造最优的微纳线路。

以此为基础，课题组使含有纳米颗粒的溶液自然形成热力学上最低表面能的状态，其对应的就是数学上所有节点间最短连接，从而实现了最优微纳线路的印刷制造。（图1）

该研究于2月17日以封面论文的形式发表在 Advanced Materials 杂志上（Adv.Mater.2017,29,1605223）。

►图1 最优微纳线路的印刷制造

不仅如此，宋延林研究员课题组还与中科院半导体所陈宏达研究员课题组合作，对所制备的线路进行了测试。由于其多交叉的连接构造，与传统平行线相比，新线路构造减少了65.9%的电磁干扰。液滴在模板间自发收缩成最低表面能状态，使最终印刷的最优微纳线路长度减少了8.9%，延时减少17.1%，能量延损减少24.5%，为高性能芯片的线路制造提供了全新的设计思路。（图2）