“摩尔定律”将被打破？芯片原理可用于城市电网布局？

集成电路英语：integrated circuit，缩写作 IC;或称微电路(microcircuit)、微芯片(microchip)、晶片/芯片(chip)在电子学中是一种将电路(主要包括半导体设备，也包括被动组件等)小型化的方式，并时常制造在半导体晶圆表面上。

电路制造在半导体芯片表面上的集成电路又称薄膜(thin-film)集成电路。另有一种厚膜(thick-film)集成电路(hybrid integrated circuit)是由独立半导体设备和被动组件，集成到衬底或线路板所构成的小型化电路。从1949年到1957年，维尔纳·雅各比(Werner Jacobi)、杰弗里·杜默(Jeffrey Dummer)、西德尼·达林顿(Sidney Darlington)、樽井康夫(Yasuo Tarui)都开发了原型，但现代集成电路是由杰克·基尔比在1958年发明的。其因此荣获2000年诺贝尔物理奖，但同时间也发展出近代实用的集成电路的罗伯特·诺伊斯，却早于1990年就过世。

晶体管发明并大量生产之后，各式固态半导体组件如二极管、晶体管等大量使用，取代了真空管在电路中的功能与角色。到了20世纪中后期半导体制造技术进步，使得集成电路成为可能。相对于手工组装电路使用个别的分立电子组件，集成电路可以把很大数量的微晶体管集成到一个小芯片，是一个巨大的进步。集成电路的规模生产能力，可靠性，电路设计的模块化方法确保了快速采用标准化集成电路代替了设计使用离散晶体管。集成电路对于离散晶体管有两个主要优势：成本和性能。成本低是由于芯片把所有的组件通过照相平版技术，作为一个单位印刷，而不是在一个时间只制作一个晶体管。性能高是由于组件快速开关，消耗更低能量，因为组件很小且彼此靠近。2006年，芯片面积从几平方毫米到350 mm²，每mm²可以达到一百万个晶体管。

一家企业要独立研发一个芯片，需要大量的资金和研发投入，但如果有一个人工智能平台，让企业根据自己的需求来设计和生成自己的芯片，就相当于提供了一个“万能插头”，让芯片设计变得个性化。日前在“2022新思科技开发者大会”上，芯片行业的领军企业新思科技负责人向记者介绍了公司目前正在打造的这一平台。“如果把芯片比喻成一张照片，我们的目标是给所有企业提供一个‘ps(photoshop)软件’。”“摩尔定律”或被打破过去50年，芯片行业遵循着“摩尔定律”，即在价格不变的情况下，集成在芯片上的晶体管数量每隔18到24个月将增加一倍，计算成本呈指数型下降。当前，摩尔定律仍然在支撑着5g和人工智能等新技术的发展，但随着工艺从微米级到纳米级，晶体管中原子数量越来越少，种种物理极限制约着摩尔定律的进一步发展。

“大数据和人工智能等技术给芯片的生态系统带来了挑战，先进软件供应链更复杂了，为了满足消费者快速变化的需求，我们需要从系统出发，结合人工智能和大数据分析等技术，通过定制化的创芯来解决不同领域的系统复杂性。”新思科技总裁、首席运营官sassine ghazi说。进入“后摩尔时代”，由软件和大数据驱动的定制化芯片，更能为系统级公司建立差异化竞争优势。新思科技通过“智能编制”的设计方法学，从项目规划阶段就将特定软件和特定芯片需求结合，对芯片实现全生命周期管理和洞察，从而满足系统级公司对于芯片的不同需求。

一个100平方毫米的手机芯片上分布着上百亿个晶体管，它们如何布局才能以最大效率工作，支撑一台手机待机12个小时?这是芯片设计师每天都在做的事情。城市中的电网布局也是运用了相似的原理。

光学芯片不是还在发展中，怎么又出来个声学芯片?

其实，声学集成电路一直都在发展，声波相较于光来说速度会更慢，但这种“迟缓”的属性未尝不是一件好事——

在设计量子电路时，为了提升探测精度，需要不断引入新材料，让载波信号在尽量短的距离内“折返”以获取数据。

如果用速度更快的光波，“折返”一次所需的距离会更大，可能会超出现有设备能测量的范围，也限制了探测精度的进一步提升。

因此，声学芯片一直是量子计算的研究方向之一。

但在之前，声学芯片一度遭遇瓶颈，大部分芯片材料无法以低损耗、可扩展的方式控制声波。

现在，哈佛大学的相关研究终于表明：

声波在芯片中传输数据也是有可能的，通过一种特殊的芯片结构，就能够很好地控制并传递声波。

在传统的电学芯片中，用来传输数据的是电子，它通过像晶体管之类的元件进行调制，将输入的数据编码，输出0、1或者高、低电平。

而在光子芯片中，它则是对光子进行调制，具体也就是将光子作为载波，用于传输信号源。

传输的介质是一种叫“波导”的东西，它会给光子提供一个传输的狭窄通道。

我们所要讲的声学芯片呢，原理和光学芯片差不多。

用什么调制声波?

在哈佛团队这篇研究中，他们展示了一种可扩展声-电平台，可以用来设计声学芯片。

首先需要设计一个电-声调制器，它可以用来调制声波。

电-声调制器，我们可以从它的名字中猜出它的作用：

就是通过施加电压来使波导(也就是传播介质)发生弹性响应，进而来调节声波的振幅、相位等。

因此，哈佛团队的电-声调制器是在一个集成的铌酸锂(LN)平台上制作的，b图可以清楚地看到，SiN在LN基板上沉积，中间形成了声波的波导。

采用铌酸锂(LN)是因为其具备良好的压电性能，即施加电压LN会产生相应的弹性形变。

接下来，我们来看看声波是从哪里来的，在调制之前经历了什么?

电-声调制器的两端，有两对叉指换能器(IDT)，它的作用是实现声-电换能，可以用于电激发和检测微波声波。

因为IDT的宽度大于声波波导的宽度，所以需要使用锥形波导结构将波耦合到声波波导中。

最后，声波传入到波导之后，怎么来调制声波呢?

这时就需要一个电场，通过生成电压，调制声波。

因此，在SiN上沉积了一层铝电极，在两个铝电极上接通电源，便产生一个电场。

这便是“电-声调制器”的基本构造了。

那它是如何通过对声波进行调制，来实现数据传输的呢?

如何调制声波以实现信号传输

在波导中，声波是被直接调制的。

在调制电极上施加直流偏置电压时，图b可以观察到声波的相位移动了π/2。

如果想要改变声波的振幅，该如何调制呢?

哈佛团队通过构建推拉结构中的声马赫-曾德尔干涉仪(MZI)来实现。

输入的声波在两个MZI臂之间被平均分割。施加在这两个波导上的电场方向相反，两个分裂波在每一臂上传播时的相位刚好是相反的。