近年來,深度學(xué)習(xí)技術(shù)突破引領(lǐng)人工智能算法進(jìn)一步提升,出現(xiàn)了更加先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和算法,并融入各種新型應(yīng)用領(lǐng)域。算法復(fù)雜度的提升以及數(shù)據(jù)量的增加,推動(dòng)對(duì)算力的需求呈現(xiàn)出多元化的爆發(fā)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),這也使得芯片制造業(yè)面臨著全新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。
長(zhǎng)期以來,芯片行業(yè)的發(fā)展遵循“摩爾定律”,即在價(jià)格不變的情況下,集成在芯片上的晶體管數(shù)量每隔18到24個(gè)月將增加一倍。換言之,處理器的性能大約每?jī)赡攴槐?。然?隨著芯片上晶體管數(shù)量不斷增多,體積不斷縮小,柵極泄漏、過量發(fā)熱等物理問題制約著摩爾定律的進(jìn)一步延續(xù)。部分業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為,“摩爾定律”將在2025年左右失效,這將導(dǎo)致日益增長(zhǎng)的算力需求陷入停滯。
為了延長(zhǎng)摩爾定律的“壽命”,科學(xué)家們?cè)诟鱾€(gè)領(lǐng)域不斷進(jìn)行研究與創(chuàng)新,探索技術(shù)演進(jìn)新方向,新架構(gòu)、新集成、新設(shè)備、新材料逐漸成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)。其中,二維材料是一個(gè)備受關(guān)注的研究方向。二維材料是一種特殊的材料,部分二維材料具有優(yōu)異的物理、化學(xué)性質(zhì)和表面特征,在電子器件、催化劑、傳感器等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。
“目前,中國(guó)在硅基芯片設(shè)計(jì)與制作方面與國(guó)際領(lǐng)先水平的高端技術(shù)和設(shè)備方面存在一定差距。新型材料的研究與發(fā)展,可以直接影響芯片的性能,甚至逐漸影響芯片設(shè)計(jì)的底層邏輯,或許是從根本上拉進(jìn)甚至消除這一差距的潛在機(jī)會(huì)。”新澤西理工學(xué)院研究工程師王曉天博士認(rèn)為,把盡可能多的專利掌握在自己手中,才能在國(guó)際合作中占據(jù)主導(dǎo)地位。
據(jù)王曉天博士介紹,二維材料具有很多獨(dú)有的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),在晶體管與芯片研發(fā)領(lǐng)域備受關(guān)注。與傳統(tǒng)三維材料相比,二維材料僅有一個(gè)原子或幾個(gè)原子的厚度,這使得它們非常輕薄,透明度好,同時(shí)具有極高的延展性和可彎曲性。除此以外,二維材料在生物醫(yī)學(xué),能源儲(chǔ)存,以及機(jī)械領(lǐng)域也都有著廣闊的應(yīng)用前景。
目前,王曉天博士及所在的Yang團(tuán)隊(duì)研究的二維材料是過渡金屬硫化物。過渡金屬硫化物是一類由過渡金屬和硫?qū)僭卦咏M成的化合物,在單層狀態(tài)下表現(xiàn)出半導(dǎo)體性質(zhì)并具有直接帶隙,使其在電子學(xué)、光電子學(xué)中有著巨大的研究潛力與廣闊的應(yīng)用前景。
對(duì)于過渡金屬硫化物,其傳統(tǒng)制備方法主要依靠機(jī)械剝離、化學(xué)氣相沉積和液相剝離等方法,但這些方法存在著產(chǎn)量低、缺少對(duì)合成材料的控制、材料質(zhì)量難以保障等問題,使得將這種材料真正應(yīng)用到商業(yè)產(chǎn)品的進(jìn)程大大減緩。
如何推動(dòng)量產(chǎn),實(shí)現(xiàn)材料加速應(yīng)用?王曉天博士及所在的Yang團(tuán)隊(duì)選擇專注于如何實(shí)現(xiàn)過渡金屬硫化物的可控生長(zhǎng)與摻雜控制。“可控生長(zhǎng)對(duì)于二維材料的合成非常重要,如果能實(shí)現(xiàn)對(duì)生長(zhǎng)位置,生長(zhǎng)面積以及結(jié)晶化程度的控制,將會(huì)推動(dòng)二維材料從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)界邁出重要的一步。”王曉天博士說。
通過結(jié)合光刻技術(shù)與接觸性生長(zhǎng)法,王曉天博士成功實(shí)現(xiàn)了使用化學(xué)氣相沉積對(duì)二硫化鉬在硅基基底特定位置上的生長(zhǎng)合成以及晶化結(jié)構(gòu)的控制,同時(shí)結(jié)合3D打印技術(shù),首次實(shí)現(xiàn)了二硫化鉬陣列的大范圍定點(diǎn)轉(zhuǎn)移。這些研究成果可以極大提高相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率并且減少二維材料在轉(zhuǎn)移過程中可能受到的污染。
此外,王曉天博士所在的Yang團(tuán)隊(duì)合成的鐵磁二硫化鉬,是第一個(gè)室溫下保持鐵磁性的二維鐵摻雜稀磁半導(dǎo)體材料,對(duì)于未來光子微處理器的制造,量子信息科學(xué)中芯片上的磁性操控,以及縮小自旋電子設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備儲(chǔ)存單元體積等應(yīng)用有著重要的引路作用。
近年來,中國(guó)在二維材料的研究領(lǐng)域投入了大量的精力與財(cái)力,也取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。數(shù)據(jù)顯示,在材料科學(xué)領(lǐng)域,中國(guó)發(fā)表的SCI論文數(shù)量已連續(xù)多年在全球各國(guó)中排名第一。
人才是科技創(chuàng)新的重要基石,在微納米制造領(lǐng)域也不例外。就如何提升我國(guó)微納米制造人才的數(shù)量和質(zhì)量,王曉天博士提出以下幾點(diǎn)建議:加強(qiáng)基礎(chǔ)科學(xué)教育;加大對(duì)高校及科研機(jī)構(gòu)的支持力度,鼓勵(lì)高校積極參與微納米制造領(lǐng)域的科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新;加大對(duì)企業(yè)的支持力度,鼓勵(lì)產(chǎn)學(xué)研合作,促進(jìn)微納米制造領(lǐng)域技術(shù)的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用,同時(shí)為企業(yè)提供更多的人才支持;加強(qiáng)學(xué)術(shù)交流,彌補(bǔ)某些實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足,為自身的研究帶來新的思路;提供更好的人才待遇和發(fā)展機(jī)會(huì),提高人才的職業(yè)滿意度和歸屬感,進(jìn)而提高微納米制造人才的數(shù)量和質(zhì)量。
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