“半導(dǎo)體合成生物學(xué)”加速半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展

透過(guò)結(jié)合生物學(xué)與電子學(xué)的兩種不同電子流，可望為更精巧高效的處理器帶來(lái)突破性進(jìn)展。為了實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)創(chuàng)造混合“生物-半導(dǎo)體”系統(tǒng)從而推動(dòng)先進(jìn)資通訊技術(shù)進(jìn)展的目標(biāo)，美國(guó)半導(dǎo)體研究機(jī)構(gòu)Semiconductor Research Corp. (SRC)日前于北卡羅萊納州三角研究園(Research Triangle Park)發(fā)布一項(xiàng)名為“半導(dǎo)體合成生物學(xué)”(Semiconductor Synthetic Biology;SemiSynBio或SSB)的計(jì)劃。

這項(xiàng)計(jì)劃將由SRC旗下三大研究計(jì)劃之一的Global Research Collaboration (GRC)贊助，在最初的階段將為美國(guó)多所大學(xué)的研究人員們提供三年225萬(wàn)美元的研究基金。參與該計(jì)劃的幾所大學(xué)包括麻省理工學(xué)院(MIT)、耶魯大學(xué)(Yale University)、喬治亞理工學(xué)院(Georgia Institute of Technology)、楊百翰大學(xué)(Brigham Young University)、麻州大學(xué)(University of Massachusetts)以及華盛頓大學(xué)(University of Washington)。

“SemiSynBio計(jì)劃將促成電子學(xué)與生物化學(xué)的結(jié)合，”MIT教授Rahul Sarpeshkar表示：“半導(dǎo)體是有關(guān)電子在線路中的長(zhǎng)程運(yùn)動(dòng)，而生物化學(xué)則涉及化學(xué)反應(yīng)中電子在分子間的短程運(yùn)動(dòng)。所以當(dāng)半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)展至完全微縮后，業(yè)界就必須處理化學(xué)相關(guān)問(wèn)題，而這正是活性細(xì)胞最能發(fā)揮效用之處。”

該計(jì)劃的目標(biāo)將探索分子級(jí)附屬芯片制造過(guò)程，采用來(lái)自生物學(xué)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)次納米級(jí)設(shè)計(jì)特色。例如，DNA將作為引導(dǎo)納米級(jí)芯片特性進(jìn)行自組裝的模板材料──這也是目前所用的替代方案。透過(guò)以DNA編碼納米級(jí)材料，使其可自動(dòng)移植到程式碼匹配的區(qū)域。該計(jì)劃預(yù)計(jì)在2024年底時(shí)就能用以大幅改善芯片良率，顯著降低缺陷以實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的芯片。

5nm線寬的導(dǎo)電金屬半導(dǎo)體互連可使用DNA模板引導(dǎo)其自組裝。

“目前在定向自組裝方面已有一些相關(guān)研究了，使用大量的分子即可建立模式，但使用DNA則是一種更先進(jìn)復(fù)雜的方式，”SRC執(zhí)行副總裁Steve Hillenius指出。

該研究的第二個(gè)領(lǐng)域是所謂的“細(xì)胞形態(tài)(cytomorphic)-半導(dǎo)體電路設(shè)計(jì)”，包括近期對(duì)于細(xì)胞生物學(xué)的了解，以及新式的超低功耗微芯片架構(gòu)等。從活細(xì)胞中化學(xué)電路與資訊處理技術(shù)的極高能效作業(yè)中獲得啟示，將有助于建立創(chuàng)新的cytomorphic電路，以新的生物啟發(fā)途徑創(chuàng)建更高效率、混合訊號(hào)、類(lèi)比/數(shù)位電路設(shè)計(jì)。

“這項(xiàng)計(jì)劃的主要目標(biāo)之一在于打造出能耗較目前更低100-1,000倍的處理器，”SRC GRC跨學(xué)科研究總監(jiān)Victor Zhimov表示 。

生物-電子感測(cè)器

研究的第三個(gè)領(lǐng)域?qū)⑻剿餍碌纳镫娮痈袦y(cè)器、致動(dòng)器，以及整合生物材料的來(lái)源，包括重新設(shè)計(jì)使其整合至CMOS芯片的活細(xì)胞，以制作出具有更高靈敏度與低功耗作業(yè)的混合生物半導(dǎo)體。

利用活細(xì)胞可實(shí)現(xiàn)更靈敏與更低功耗的生物-電子感測(cè)器。

“在這方面，我們的目標(biāo)是將活細(xì)胞整合于半導(dǎo)體芯片上，使其得以相互搭配運(yùn)作──讓活細(xì)胞的作用像電腦一樣”，Zhimov說(shuō)，“細(xì)胞是已經(jīng)像是強(qiáng)大的電腦了，但僅用于實(shí)現(xiàn)各自目標(biāo)，我們的變化將改變其 DNA 使其得以為我們進(jìn)行運(yùn)算，以及作為連至外部電路的雙向通訊鏈路。”

截至目前為止， SRC將為SemiSynBio計(jì)劃提供所有的資金，但Hillenius表示也將取得其他資金來(lái)源，如美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)。