在塑料上造芯片?來源：内容由半導體行業觀察（ID:icbank）編譯自「wired」，謝謝，下面我們就來聊聊關于在塑料上造芯片?接下來我們就一起去了解一下吧!

在塑料上造芯片

來源：内容由半導體行業觀察（ID:icbank）編譯自「wired」，謝謝。

就像所有以設計計算機芯片為生的人一樣，詹姆斯·邁爾斯(James Myers)也是芯片設計師。“矽是傑出的，”他說。這是因為它是一種天然的半導體——根據不同的條件，它既能導電又能充當絕緣體——還因為它可以在小範圍内進行設計。這是因為它是地球上第二常見的元素，可能現在就附着在你的腳底上，而且很容易通過加熱沙子産生。這些特性使它成為我們今天使用的幾乎所有技術的基礎。像英國半導體公司Arm的工程師邁爾斯這樣的人，大部分時間都在思考如何在更小的空間裡封裝更多的矽——從20世紀70年代的每片芯片擁有數千個晶體管到今天的數十億個。有了摩爾定律，我們就像邁爾斯說的，“在矽裡遊泳”。

然而，在過去的幾年裡，邁爾斯一直在把目光投向矽以外的其他材料，比如塑料。這意味着要從頭再來。幾年前，他的團隊開始設計包含數十個晶體管的塑料芯片，然後是數百個，現在，正如《自然》雜志周三報道的那樣，已經有數萬個了。32位微處理器包含18000個邏輯門(你從晶體管中得到的電子開關)和計算機大腦的基本葉:處理器、内存、控制器、輸入和輸出等。至于它能做什麼?想想上世紀80年代早期的桌面電腦。

為什麼要把科技時光倒流呢?因為現代矽芯片是易碎的，不靈活的電子晶圓。在壓力下，他們會嘎吱作響。雖然矽很便宜，而且越來越便宜，但在某些情況下，它可能永遠都不夠便宜。假設把一個電腦芯片放在牛奶盒裡，用一個檢測化學變質迹象的傳感器代替打印的過期日期。有用嗎?有幾分!但隻有在成本極低的情況下，才值得增加數十億盒牛奶。Arm正在測試的一種應用是一種安裝在胸部的芯片，它可以監測病人的心律失常(一種不穩定的、輕快的心跳)，但幾個小時後就會被丢棄。因此，你想要一台便宜的電腦，但更重要的是，一台能彎曲的電腦。邁爾斯說:“它需要與你一起移動，而不是突然消失。”

一些材料理論上可以滿足這些需要。研究人員已經用有機材料和設計好的襯底制造了晶體管，襯底是晶體管的晶片，襯底是金屬箔甚至是紙張。周三，Myers的團隊描述的芯片是由金屬氧化物制成的“薄膜晶體管”組成，金屬氧化物是铟、镓和鋅的混合物，可以比矽更薄。襯底是聚酰亞胺，一種塑料，而不是矽片。它便宜、薄、靈活，但在設計上有點麻煩。塑料的熔化溫度低于矽，這意味着一些涉及加熱的生産技術不再适用。而且這種薄晶體管可能存在缺陷，這意味着能量不能像芯片制造商所期望的那樣在電路中移動。與現代芯片相比，這種設計也消耗了更多的能量。邁爾斯指出，上世紀七八十年代，同樣的問題困擾着芯片制造商。他現在能同情他的老同事了。

與現代64位矽處理器中的數十億個門相比，18,000個門聽起來并不多，但邁爾斯自豪地談到它們。當然，微處理器并沒有做太多事情。它隻是運行他五年前編寫的一些測試代碼，以确保所有組件都正常工作。該芯片可以運行與Arm常見的基于矽的處理器之一相同類型的代碼。

該研究的合著者兼PragmatIC技術高級副總裁Catherine Ramsdale解釋說，與矽器件的一緻性是關鍵，該公司與Arm一起設計和生産柔性芯片。雖然材料是新的，但其想法是盡可能多地借鑒矽芯片的生産過程。這樣，更容易批量生産芯片并降低成本。Ramsdale表示，這些芯片的成本可能是同類矽芯片的十分之一，因為塑料便宜且設備需求減少。她說，是的，這是一種“務實”的處事方式。

斯坦福大學(Stanford University)的電氣工程師埃裡克·波普(Eric Pop)沒有參與這項研究，他說，這種芯片的複雜性及其包含的晶體管數量給他留下了深刻印象。“這推動了技術的進步，”他說。但實用主義也有局限性。最清楚的是這個設備消耗了多少能量。該芯片消耗21毫瓦的能量，但其中隻有1%用于執行計算;其餘的都被浪費了，因為芯片處于閑置狀态。他解釋說，在戶外，用一個比郵票還小的太陽能電池就可以生産這種芯片——換句話說，不是很多——但随着柔性芯片變得越來越複雜，這并不是提高效率的好起點。“你要做什麼，把自己連到一個巨大的電池上嗎?”流行問道。

邁爾斯說，這些小型芯片的計劃是使用類似于智能手機支付的無線充電技術。但他承認芯片需要更節能——他相信在一定程度上是可以做到的。他說，目前的設計可以做得更小、更高效，也許足夠擴大到10萬個閘門。但這可能是極限。原因是它的設計相當簡單。晶體管有兩種形式，稱為“N”和“P”。它們是互補的。有電壓時打開，沒有電壓時關閉;另一種則相反。“你真的想擁有他們兩個，”爸爸說。Arm芯片洩漏這麼多能量的一個原因是它隻有N型。使用Arm和PragmatIC選擇的材料，P型晶體管的設計難度更大。

縮放的一個選擇是轉向其他柔性材料，如碳納米管，因為這兩種材料都更容易制造。波普實驗室正在研究的另一種選擇是，使用在剛性襯底上制造的二維材料，然後轉移到柔性材料上，以減少晶體管的尺寸和功率需求。在這兩種情況下，代價可能都是制造成本的增加。

Subhasish Mitra在斯坦福大學計算機科學家領導的第一個示範2013年碳納米管電腦,說,雖然手臂的設計似乎不展示任何理論上的突破,研究人員似乎産生了一種相對簡單的設備制造和用于實際應用。“時間會告訴我們應用程序開發者将如何利用這一點，”Mitra說。“我認為這是令人興奮的部分。”

哪種柔性材料最終有意義将取決于芯片需要如何使用，波普解釋說。例如，矽并不總是注定要成為我們設備的核心。有一段時間，科學家們認為這可能是鍺——一種比矽更優越的半導體元素。但它并不叫“鍺谷”。矽更容易獲得，在某些方面也更容易設計。廉價的柔性芯片還處于早期階段。我們需要紙質電子産品的可回收性嗎?碳納米管的潛在功率和規模?或許我們隻是需要塑料的實用性。

也許摩爾定律不太可能适用于塑料芯片。拉姆斯代爾說:“我們并不是在尋找矽能出色發揮作用的市場。”該公司主要着眼于“矽被有效地過度設計”的用途。在矽領域，對更強大設備的需求推動了規模和功率的指數級增長。裝在牛奶盒裡的電腦芯片也是這樣嗎?也許回到上世紀80年代就足夠了。

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