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柔性芯片问世 或掀起产业新浪潮

导读: 近日,研究人员用类似于石墨烯的2D材料制造出了微处理器的原型。石墨烯的具有惊人的传导性,有人认为它将为电池、传感器和芯片的设计和制造带来变革。

近日,研究人员用类似于石墨烯的2D材料制造出了微处理器的原型。石墨烯的具有惊人的传导性,有人认为它将为电池、传感器和芯片的设计和制造带来变革。

该微处理器只有115个晶体管,无论以什么基准衡量,都排不上首位。但它“是进一步研究2D半导体微处理器的第一步。”维也纳技术大学(又作维也纳工业大学)的研究人员本月发表在《自然》期刊上的一篇论文中如是写道。

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金属硫化物利好柔性芯片

2D材料韧性强,可更便捷地置入到可穿戴装备或传感器中,降低设备损坏的可能性——就好比你不小心掉了手机,手机并没有摔坏,而仅仅是变弯了。

当今的半导体和屏幕已经很薄了,但仍需依赖其原料的3D物理特性来发挥功效。硅制薄片很容易折断。但像石墨烯和维也纳技术大学的研究人员使用的过渡金属硫化物(transition-metal dichalcogenide ,TMD)这样的材料是真正的2D材料,由一层原子或分子厚度的晶体制作而成,可折曲自如。

过渡金属硫化物是由钼、钨这样的过渡金属和一种硫族元素(通常情况下是硫、硒和碲,尽管氧也属于硫族元素)组成的化合物。过渡金属硫化物和石墨烯一样,都成层状,但不同的是,石墨烯如金属般导电,而过渡金属硫化物是半导体,这对于柔性芯片的设计者来说绝对是个好消息。

处理器性能、直径待提升

光子学研究所的Stefan Wachter、Dmitry Polyushkin和 Thomas Mueller决定和维也纳固态电子学研究所的Ole Bethge共同合作,用二硫化钼制造微处理器。他们用自制电路对硅制基片蚀刻,用氧化铝层进行分层,再将两层分子厚度的二硫化钼置于硅制基片上方。

“基片只起到介质载体的作用,因此能用玻璃或是包括柔性基质在内的其他材料替换。”研究人员写道。

最近的英特尔处理器一次可运行64比特(bit)的数据,载有成千上万的晶体管,可处理成百或成千的指令,具体是成百还是上千取决于你的算法。

相比之下,研究人员的处理器一次只能运行1比特的数据,采用4套指令集(NOP, LDA, AND 和 OR)。而且,用来制作处理器的电路直径达2微米,是最新英特尔和ARM处理器电路直径的100倍。

研究人员称,通过深加工处理器可以更加精密。在制造时,研究人员刻意选择了大尺寸,这样二硫化钼薄膜不容易穿洞、破裂或者污染,在光学显微镜下更容易检查。

良品率、价格是挑战

“将我们的单比特处理器变成多比特完全没有障碍。”研究人员说。降低接触电阻是亚微米级处理器制造的唯一挑战。

但这也不意味着前方一片坦途。虽然子单元的成品率高,大约80%的逻辑算术单元运行良好,但研究人员的零误差容忍设计方案意味着只有很少的成品可以正常运行。

为应对成品率问题,商业处理器制造商将芯片模块化,在不同的速度下进行测试。运行速度高的芯片定价更高,而故障子组件则被永久禁用。搭载故障子组件仍运行正常的芯片将以低价作为低配置组件出售。

从只有46条指令的4比特4004处理器到最新的x86架构Kaby Lake处理器,英特尔用了46年。相比处理器制造业近半世纪的成长,柔性半导体的发展会更迅速些吧。

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