“摩爾定律”將被打破？芯片原理可用于城市電網(wǎng)布局？

集成電路英語：integrated circuit，縮寫作 IC;或稱微電路(microcircuit)、微芯片(microchip)、晶片/芯片(chip)在電子學(xué)中是一種將電路(主要包括半導(dǎo)體設(shè)備，也包括被動組件等)小型化的方式，并時常制造在半導(dǎo)體晶圓表面上。

電路制造在半導(dǎo)體芯片表面上的集成電路又稱薄膜(thin-film)集成電路。另有一種厚膜(thick-film)集成電路(hybrid integrated circuit)是由獨立半導(dǎo)體設(shè)備和被動組件，集成到襯底或線路板所構(gòu)成的小型化電路。從1949年到1957年，維爾納·雅各比(Werner Jacobi)、杰弗里·杜默(Jeffrey Dummer)、西德尼·達林頓(Sidney Darlington)、樽井康夫(Yasuo Tarui)都開發(fā)了原型，但現(xiàn)代集成電路是由杰克·基爾比在1958年發(fā)明的。其因此榮獲2000年諾貝爾物理獎，但同時間也發(fā)展出近代實用的集成電路的羅伯特·諾伊斯，卻早于1990年就過世。

晶體管發(fā)明并大量生產(chǎn)之后，各式固態(tài)半導(dǎo)體組件如二極管、晶體管等大量使用，取代了真空管在電路中的功能與角色。到了20世紀(jì)中后期半導(dǎo)體制造技術(shù)進步，使得集成電路成為可能。相對于手工組裝電路使用個別的分立電子組件，集成電路可以把很大數(shù)量的微晶體管集成到一個小芯片，是一個巨大的進步。集成電路的規(guī)模生產(chǎn)能力，可靠性，電路設(shè)計的模塊化方法確保了快速采用標(biāo)準(zhǔn)化集成電路代替了設(shè)計使用離散晶體管。集成電路對于離散晶體管有兩個主要優(yōu)勢：成本和性能。成本低是由于芯片把所有的組件通過照相平版技術(shù)，作為一個單位印刷，而不是在一個時間只制作一個晶體管。性能高是由于組件快速開關(guān)，消耗更低能量，因為組件很小且彼此靠近。2006年，芯片面積從幾平方毫米到350 mm2，每mm2可以達到一百萬個晶體管。

一家企業(yè)要獨立研發(fā)一個芯片，需要大量的資金和研發(fā)投入，但如果有一個人工智能平臺，讓企業(yè)根據(jù)自己的需求來設(shè)計和生成自己的芯片，就相當(dāng)于提供了一個“萬能插頭”，讓芯片設(shè)計變得個性化。日前在“2022新思科技開發(fā)者大會”上，芯片行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)新思科技負(fù)責(zé)人向記者介紹了公司目前正在打造的這一平臺?！叭绻研酒扔鞒梢粡堈掌覀兊哪繕?biāo)是給所有企業(yè)提供一個‘ps(photoshop)軟件’。”“摩爾定律”或被打破過去50年，芯片行業(yè)遵循著“摩爾定律”，即在價格不變的情況下，集成在芯片上的晶體管數(shù)量每隔18到24個月將增加一倍，計算成本呈指數(shù)型下降。當(dāng)前，摩爾定律仍然在支撐著5g和人工智能等新技術(shù)的發(fā)展，但隨著工藝從微米級到納米級，晶體管中原子數(shù)量越來越少，種種物理極限制約著摩爾定律的進一步發(fā)展。

“大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)給芯片的生態(tài)系統(tǒng)帶來了挑戰(zhàn)，先進軟件供應(yīng)鏈更復(fù)雜了，為了滿足消費者快速變化的需求，我們需要從系統(tǒng)出發(fā)，結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，通過定制化的創(chuàng)芯來解決不同領(lǐng)域的系統(tǒng)復(fù)雜性。”新思科技總裁、首席運營官sassine ghazi說。進入“后摩爾時代”，由軟件和大數(shù)據(jù)驅(qū)動的定制化芯片，更能為系統(tǒng)級公司建立差異化競爭優(yōu)勢。新思科技通過“智能編制”的設(shè)計方法學(xué)，從項目規(guī)劃階段就將特定軟件和特定芯片需求結(jié)合，對芯片實現(xiàn)全生命周期管理和洞察，從而滿足系統(tǒng)級公司對于芯片的不同需求。

一個100平方毫米的手機芯片上分布著上百億個晶體管，它們?nèi)绾尾季植拍芤宰畲笮使ぷ?，支撐一臺手機待機12個小時?這是芯片設(shè)計師每天都在做的事情。城市中的電網(wǎng)布局也是運用了相似的原理。

光學(xué)芯片不是還在發(fā)展中，怎么又出來個聲學(xué)芯片?

其實，聲學(xué)集成電路一直都在發(fā)展，聲波相較于光來說速度會更慢，但這種“遲緩”的屬性未嘗不是一件好事——

在設(shè)計量子電路時，為了提升探測精度，需要不斷引入新材料，讓載波信號在盡量短的距離內(nèi)“折返”以獲取數(shù)據(jù)。

如果用速度更快的光波，“折返”一次所需的距離會更大，可能會超出現(xiàn)有設(shè)備能測量的范圍，也限制了探測精度的進一步提升。

因此，聲學(xué)芯片一直是量子計算的研究方向之一。

但在之前，聲學(xué)芯片一度遭遇瓶頸，大部分芯片材料無法以低損耗、可擴展的方式控制聲波。

現(xiàn)在，哈佛大學(xué)的相關(guān)研究終于表明：

聲波在芯片中傳輸數(shù)據(jù)也是有可能的，通過一種特殊的芯片結(jié)構(gòu)，就能夠很好地控制并傳遞聲波。

在傳統(tǒng)的電學(xué)芯片中，用來傳輸數(shù)據(jù)的是電子，它通過像晶體管之類的元件進行調(diào)制，將輸入的數(shù)據(jù)編碼，輸出0、1或者高、低電平。

而在光子芯片中，它則是對光子進行調(diào)制，具體也就是將光子作為載波，用于傳輸信號源。

傳輸?shù)慕橘|(zhì)是一種叫“波導(dǎo)”的東西，它會給光子提供一個傳輸?shù)莫M窄通道。

我們所要講的聲學(xué)芯片呢，原理和光學(xué)芯片差不多。

用什么調(diào)制聲波?

在哈佛團隊這篇研究中，他們展示了一種可擴展聲-電平臺，可以用來設(shè)計聲學(xué)芯片。

首先需要設(shè)計一個電-聲調(diào)制器，它可以用來調(diào)制聲波。

電-聲調(diào)制器，我們可以從它的名字中猜出它的作用：

就是通過施加電壓來使波導(dǎo)(也就是傳播介質(zhì))發(fā)生彈性響應(yīng)，進而來調(diào)節(jié)聲波的振幅、相位等。

因此，哈佛團隊的電-聲調(diào)制器是在一個集成的鈮酸鋰(LN)平臺上制作的，b圖可以清楚地看到，SiN在LN基板上沉積，中間形成了聲波的波導(dǎo)。

采用鈮酸鋰(LN)是因為其具備良好的壓電性能，即施加電壓LN會產(chǎn)生相應(yīng)的彈性形變。

接下來，我們來看看聲波是從哪里來的，在調(diào)制之前經(jīng)歷了什么?

電-聲調(diào)制器的兩端，有兩對叉指換能器(IDT)，它的作用是實現(xiàn)聲-電換能，可以用于電激發(fā)和檢測微波聲波。

因為IDT的寬度大于聲波波導(dǎo)的寬度，所以需要使用錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)將波耦合到聲波波導(dǎo)中。

最后，聲波傳入到波導(dǎo)之后，怎么來調(diào)制聲波呢?

這時就需要一個電場，通過生成電壓，調(diào)制聲波。

因此，在SiN上沉積了一層鋁電極，在兩個鋁電極上接通電源，便產(chǎn)生一個電場。

這便是“電-聲調(diào)制器”的基本構(gòu)造了。

那它是如何通過對聲波進行調(diào)制，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪?

如何調(diào)制聲波以實現(xiàn)信號傳輸

在波導(dǎo)中，聲波是被直接調(diào)制的。

在調(diào)制電極上施加直流偏置電壓時，圖b可以觀察到聲波的相位移動了π/2。

如果想要改變聲波的振幅，該如何調(diào)制呢?

哈佛團隊通過構(gòu)建推拉結(jié)構(gòu)中的聲馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)來實現(xiàn)。

輸入的聲波在兩個MZI臂之間被平均分割。施加在這兩個波導(dǎo)上的電場方向相反，兩個分裂波在每一臂上傳播時的相位剛好是相反的。