中国科学家攻克芯片电磁干扰难题

图为Advanced Materials封面

编者按：

1965年，Intel创始人戈登·摩尔提出了著名的摩尔定律：半导体芯片上可集成的元器件数目每12个月便会增加一倍。然而，受线路产生的热量、响应速度及密集线路间电磁干扰的限制，实际芯片的性能却并不能按摩尔定律描述的那样快速地提升，科学界也一直在努力攻克制约芯片发展的诸多难题。

近期，中国科学院化学研究所宋延林研究员课题组受蚂蚁群体智慧的启发，开发出了种巧妙的方法，找到了解决困扰芯片发展极限的电磁干扰难题的新途径。

撰文| 武雪瑞（化学博士、中科幻彩首席运营官）

责编| 吕浩然

摩尔定律曾预言，半导体芯片上可集成的元器件的数目每12个月便会增加一倍。但是受线路产生的热量、响应速度及密集线路间电磁干扰的限制，如今，芯片性能提高的速度却越来越缓慢，因此，发展新的集成电路的优化设计与制备技术势在必行。

在设计电路板时，设计者意图在生物中寻找答案。正如人类大脑约有400亿皮层神经元，但不同神经间的有效连接竟不超过六个交叉节点。设计者们梦想构造出类似大脑的设计，但迄今为止，科学家已提出多种多样的串线优化概念，以提高集成电路的抗干扰性能，但基于传统思路的技术制造流程却极为复杂，且成品缺陷较多。

近日，中科院化学所宋延林研究员课题组受蚂蚁、蜜蜂和萤火虫等群体智慧的启发，即蚂蚁的巢穴并不是简单的直线连接，而是交叉排列，涉及到节点间最短连接问题，即SteinerTree排布。围绕着线路的优化设计，课题组提出了自组织结构思路。通过模仿蚂蚁以最低能量消耗的方式运动，课题组构造了材料液滴的自发收缩模型，使其在蒸发过程中的结构符合数学规律，实现节点间最短线路的连接，从而实现以自然简便的方式制造最优的微纳线路。

以此为基础，课题组使含有纳米颗粒的溶液自然形成热力学上最低表面能的状态，其对应的就是数学上所有节点间最短连接，从而实现了最优微纳线路的印刷制造。（图1）

该研究于2月17日以封面论文的形式发表在Advanced Materials 杂志上（Adv.Mater.2017,29,1605223）。

图1、最优微纳线路的印刷制造

不仅如此，宋延林研究员课题组还与中科院半导体所陈宏达研究员课题组合作，对所制备的线路进行了测试。由于其多交叉的连接构造，与传统平行线相比，新线路构造减少了65.9%的电磁干扰。液滴在模板间自发收缩成最低表面能状态，使最终印刷的最优微纳线路长度减少了8.9%，延时减少17.1%，能量延损减少24.5%，为高性能芯片的线路制造提供了全新的设计思路。（图2）

图2、最优线路电学测试及优化性能

这种受生物群体智慧启发，利用微米模版操控液滴自然成型使纳米材料自组装为微纳尺度最优线路的方法，是纳米绿色印刷技术在先进制造领域的一大突破，对印刷制造高性能芯片线路的发展具有重要的意义。

感谢中科院化学所宋延林研究员、苏萌博士和钱鑫博士对本文写作的帮助。