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科技前沿:怎样造出微型元器件?台积电即将量产3nm工艺芯片

8月18日,新一届世界半导体大会在南京召开。会上,台积电表示,他们将在今年下半年开始量产全球最新的3nm工艺芯片。采用3nm工艺制造的芯片将在运算速度、功耗等性能指标上,比目前最先进的5nm工艺继续提高15%—30%。

随着芯片的制程不断缩小,我们也畅想着,有更多的微型化电子设备能够出现。比如我们在第184期节目当中聊到过的“智能灰尘”,就是像一粒沙子那么大的微型智能设备。未来,这样的微型智能设备将无处不在。

不过,电子设备想要微型化,不仅仅是把芯片缩小这么简单。除了芯片,电子设备还需要配备很多其他电子元器件,比如电阻、电容器、电感器等等,它们的体积在过去十几年里没有缩小多少。这些不怎么被媒体提到的冷门电子元器件,才是如今电子设备进一步微型化的最大瓶颈。

就拿其中很有代表性的一类元器件“电容器”来说。业内公认,苹果的Airpods耳机是一款集成度非常高的产品。如果你拆开它的电路板来看,会发现其中1/5的面积,都被密密麻麻的电容颗粒占据了。再比如,我们充电用的快充插头,里面通常都有几个大大的圆柱形电容器,要占据插头大概1/3的体积。

你可能会问:电容器这个东西我高中物理实验的时候就见过,好像没啥技术含量啊。为什么像电容器这种简单的元器件,没有像芯片中的晶体管一样,伴随着摩尔定律的发展,体积指数缩小呢?

关于这个问题,我总结了一个简单的判断经验,那就是:凡是在电路中用来处理信息的元器件,比如存储器、传感器,它们的体积都可以伴随着摩尔定律指数下降;凡是在电路中用来处理能量的元器件,比如电池、电容器,它们的体积通常都很难大幅度缩小。而电容器,恰恰就是电路中一类非常基础的、用来管理能量的器件。比如在充电插头里面,电容器就是作为一个小型的能量池,用来调节插座里的交流电和接入手机的直流电之间的能量波动。

于是,如何制造出体积更小,但是电容值不变的电容器,就成为技术领域非常关注的问题。就在最近,中科院固体所的研究团队在《科学》杂志上发表了一项研究,他们制作出了一种小型化、高性能的电容器,单位体积的电容值是目前业界常用的铝电解电容的将近30倍。如果这种电容器技术普及的话,如今的各种电源适配器、充电插头的体积可以再缩小一半。

这个技术是怎么实现的呢?这里再给你补充一个背景知识:在今天的科技领域,凡是看到跟能量相关的器件有了什么显著的进步,一般都是材料领域的创新。从这儿你就知道,材料科学有多么重要。

在这项研究中,新型材料又立了大功。研究人员开发出了一种新型电极材料,用肉眼看起来它就是一层黑色的柔软的薄膜,而如果去看它的微观结构,它是由无数根直径只有几十纳米粗的碳纳米管交织而成的立体网格布。

为什么这种微观结构可以提高电容器的性能呢?从本质上说,电容器就是一种在一定电压下吸附电荷的器件。这就好比,人的肺部能够在一定的胸腔气压下吸附空气中的氧气一样,和空气的接触面积越大,吸收氧气的效果越好。电容器也是这样,在单位体积内拥有更大的表面积,吸附电荷的效果也就越强。这种密密麻麻的碳纳米管网格,就像是人的肺泡一样,增加了电容和电介质的接触面积,自然也就提高了电容器的性能。

当然,这篇论文中研究人员进行的创新远没有我说得这么简单。他们还开发了很多种工艺,比如在碳纳米管的内部再嵌套一层纳米管,对网格的表面进行活性处理等等,最大限度地提升了材料内部的表面积。这项技术经过了7年的研究才做出来。

说到这儿,我有一个感受:这些年集成电路工艺一直在按照摩尔定律的节奏迭代,这可能会让人们误以为,其他科技领域也可以这样飞速进步。而事实上,即使同为电子器件领域,也有大量元器件在使用“古老”的技术,它们的技术进步在过去一二十年中并不明显。直到最近,才有越来越多的研究团队把目光投向了这些领域。

这让我想起著名科幻小说家威廉·吉布森的名言:“未来已来,只是分布不均。”

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