有望突破摩尔定律 华人推动美芯片创新

麻省理工学院博士生朱嘉迪手持8英寸晶圆。(朱嘉迪提供)

美国麻省理工学院的研究人员最近完成了一项有望突破制造更强大芯片极限的尖端技术。领衔这项技术创新的是一位在该校读博士的中国留学生。

他就是27岁的朱嘉迪。“我在南京出生,然后读的是南师附中,后来去北京大学读本科,然后到MIT这边来。现在是博士,马上开学是第5年了。” 他对美国之音说。他现在是麻省理工学院电气工程和计算机科学的博士生。

新兴人工智能应用需要更密集、更强大的计算机芯片。芯片传统上用3D结构的块状材料制成,但堆叠多层晶体管以创建更密集集成,也就是更强大的芯片,已经变得越来越困难。

这就是芯片制造上的 “摩尔定律” :即每18个月到两年时间,芯片的性能随晶体管密集程度的提高而翻一倍。这使当前先进芯片制造已经逼近尺寸缩减的物理极限。

朱嘉迪参与协调的团队开发出了可以直接在8英寸晶圆硅芯片之上“生长”二维材料晶体管以实现更密集的集成的新技术。

有关这项新技术的论文4月27日由共同主要作者朱嘉迪和该校博士后朴志勋(Ji-Hoon Park)发表在《自然纳米技术》杂志上。他们的成就被称为有望突破或延续“摩尔定律”。

麻省理工学院电气工程和计算机科学博士生朱嘉迪(朱嘉迪提供)

芯片制造中的材料、设计和加工创新

朱嘉迪说,他们的创新主要体现在芯片制造中五个方面:材料、设计、加工、封装和测试的前三项。

“硅这个材料Silicon已经做了将近60年了,已经到了一个比较极限的一个状态,”朱嘉迪说。“ 我们做了一个大规模,就是8英寸的单层二硫化钼的高质量的供应手段”,他说,“这个材料的供应量就很大了”。

在设计上,朱嘉迪将它比作住房,“比如平房,住的人就非常少。但如果把它建成楼房,容纳的人数就更多了,” 他说,传统的硅基材料都是“平房”,是单层电路,“我们现在直接在硅基电路上面直接合成或者叫沉积一层单层的硫化物半导”,“通过这种二流化钼的二维材料实现这种异质集成的这样一个可行性”。

在加工上,“我们是提供一种低温设计,就是说让它能在对第一层电路无损的情况下直接在上面做这种叠加,”朱嘉迪说。

朱嘉迪2019年进入麻省理工学院。他说,这整个技术创新其实就是他博士论文的课题。“实际上就是一个半命题作文,就是你导师在你刚进来的时候给你固定了一个大的方向。”

对于这项创新技术究竟对未来更强大芯片的产出,比如1纳米制程的芯片,有什么意义?朱嘉迪回答, 1纳米实际上只是一个技术指标,“在1纳米节点没有任何一个东西是1纳米的。” 他解释:“对于28纳米技术节点以下的工艺,所谓多少多少纳米只是一个技术指标,表示单位面积芯片性能相对于前一代,翻了一倍左右”。

新技术有助于实现更先进芯片的制造

朱嘉迪说,在1纳米或者更先进的技术节点的时候,他们创新的材料实际上是把集成度提高了,“就像刚才我说的这种搭楼房的过程,如果说我们在第一层缩小上出现了卡壳,因为1纳米节点对应的最小的物理尺寸是12纳米左右,就是如果说光刻机做比12纳米小的这样的一些图形,它做的很困难的话,我们说你就可以往高里做,就是你可以搭好多层,那么二维材料是一个可行的这样一个材料体系,你可以用我们二维材料在你的硅基上面继续做、继续搭,然后对二维材料的加工也是通过光刻机来做,每层能做到12纳米的物理尺寸精度那当然很好,那么也是最后实现一个高密度的集成的目的。这个是我们的一个意义所在,就是说如果说你到了1纳米以后再想做,尺寸缩小肯定还是一方面,那么另一方面就是说我们进一步的堆叠,做3维集成。当然这种异质集成的方法对于大尺寸的成熟技术节点也是适用的。”

不过朱嘉迪表示,这项成果最终被运用于工厂批量生产“还有一些过程要过”,“我们做的是前三项中的一部分,后面还有封装跟测试也是非常重要的两项。”

有中国媒体引用专家的话评论朱嘉迪创新成就时说,这 “并非学科上的突破,可以当个论文来看”,并说,国内科学家已经 “实现了具有亚1纳米栅极长度的晶体管,其中就使用到了单层二维二硫化钼薄膜。”

对此,朱嘉迪称此“可能稍有误解“。“我们做的是一个晶圆的生长,低温生长,直接异质集成。这个是之前大家没有做过的或者没有做成功的。没有这种在8寸晶圆上面直接做低温异质集成。” “我们其实对于这个集成的推动还是很有帮助的,包括现在一些企业都对我们很感兴趣。”

地缘政治竞争对科研的限制

半导体芯片已成为美中两国地缘政治竞争的焦点之一。拜登政府对中国实行高端芯片的全面出口管制,中国国家主席习近平称此为“卡脖子”,反制美国最大的记忆体芯片制造商美光公司(Micron),并誓言自力更生制造芯片。

“肯定会有一些限制,”针对目前的科研环境朱嘉迪说。“比如跟美国以外的合作我们会稍微有一些顾虑,本来是很正常的学术合作我们也会有点担心未来会有问题。……为了安全起见有的时候就会停止或者不开展这样一些合作,所以这个确实是一个担忧吧。”

今年6月一份发表在美国国家科学院院刊上的研究报告根据对1304位在美国的华裔科学家的调查发现,多数的华裔科学家认为美国不安全,害怕进行研究,害怕与中国合作,害怕申请联邦政府的拨款。

2021年就曾发生过麻省理工学院微纳米工程实验室主任陈刚教授被美国司法部根据 “中国行动计划” 逮捕、一年后又撤销对其指控的事件。

当时联邦检察官指控陈刚教授在提交联邦拨款申请时未披露与多个中国教育项目的联系。但最后检方发现,陈刚教授并无义务做这些披露,遂以 “无法在审判中证明他们的指控” 为由撤销起诉。

这一事件引发美国学术界、亚裔社区的强烈抗议,认为政府针对的是陈刚教授的华裔身份。美国司法部于2022年宣布终止 “中国行动计划”。

不过朱嘉迪表示,麻省理工学院是个很好的环境,“整个学校对大家都是比较平等的这种保护。”

中国自媒体惊呼“为什么我们留不住人才”

朱嘉迪参与协调麻省理工学院团队研发芯片材料新技术的消息在中国自媒体上引起强烈反响。《中国种树老美乘凉?华人学者助美芯片升级,2万清北学生扎堆硅谷》说:“一个华人的才华,为老美所用,着实令人倍感遗憾。 但我国的人才流失远比想象的更严重。”

《北大毕业生让美国芯片再次领先!》说:“很遗憾取得这一成就的又是美国。而令人受不了的是,这个人居然还是华裔科学家,”“如果他在国内,这一成就,肯定是中国的,这个人为什么要去美国,为什么我们就留不住?”“北大啊!清华啊!要醒醒了,不要再干运输大队长的活了。”

“我觉得国内现在自媒体很多时候宣传的那个故事跟我已经没有关系了。” 朱嘉迪回应道。“我觉得我希望找到一个更需要我的地方,也同时能找到一个更适合我发展的环境,那么这样的环境其实不论是中国还是美国都是存在的。”

朱嘉迪说,他在北大时就拿过“五四奖章”,“这个是北大学生最高荣誉,” 朱嘉迪说。“相当于是二十年才评了一百个左右,而且是本硕博一起,那么我是其中之一”。

朱嘉迪说,北大提供给学生的资源非常好,导师对学生很照顾,师兄师姐也很和睦。他在北大本科时他就在Advance Material、IEEE Electron Device Letters这样很好的期刊上发表过论文。

“我并不觉得在北大跟在MIT有什么特别大的区别,” 朱嘉迪说。“如果真有区别的话,可能就是在科研思维方式上,或者说在形式上,东西方会有一些习惯上的差异。所以我觉得是这几年的学习上一个比较好的一种体验,” 但他认为 “这是一个跟政治无关的学术的考量和学习的过程”。

在回答读完博士学位后的去留问题时,朱嘉迪说:“这是一个关于我的个人志向、未来发展平台和家庭的综合选择。我希望,也会努力促使这几个因素最终达到一致。”


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