試圖理解單個(gè)計(jì)算機(jī)芯片的所有復(fù)雜組件可能會令人眼花繚亂：通過銅線高速公路相互連接的多層微觀組件，其中一些僅比幾股 DNA 寬。這些電線之間有一種稱為電介質(zhì)的絕緣材料，可確保電線不會接觸和短路。
進(jìn)一步放大，我們可以看到芯片與其下方的結(jié)構(gòu)之間放置了一種特殊的電介質(zhì)；這種材料被稱為介電薄膜，其厚度與白細(xì)胞一樣薄。
競爭對手一直在努力超越他們，如今味之素?fù)碛性摦a(chǎn)品 90% 以上的市場份額，該產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于從筆記本電腦到數(shù)據(jù)中心的各個(gè)領(lǐng)域。
但現(xiàn)在，一家位于加利福尼亞州伯克利的初創(chuàng)公司正在采取艱巨的努力，推翻味之素，并將芯片制造供應(yīng)鏈的這一小部分帶回美國。
Thintronics 承諾推出一款專為人工智能時(shí)代的計(jì)算需求而打造的產(chǎn)品，該公司聲稱這是一套新材料，具有更高的絕緣性能，如果采用，可能意味著數(shù)據(jù)中心擁有更快的計(jì)算速度和更低的能源成本。
在價(jià)值 2800 億美元的《芯片和科學(xué)法案》的推動(dòng)下，該公司處于即將到來的美國新公司浪潮的最前沿，該法案正在尋求在半導(dǎo)體行業(yè)中分一杯羹，而該行業(yè)目前已由少數(shù)國際公司主導(dǎo)。但要想取得成功，Thintronics 及其同行必須克服一系列挑戰(zhàn)——解決技術(shù)問題、破壞長期的行業(yè)關(guān)系以及說服全球半導(dǎo)體巨頭接納新的供應(yīng)商。
Thintronics 創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Stefan Pastine 表示：“發(fā)明新材料平臺并將其推向世界非常困難。”它“不適合膽小的人”。
ABF的故事
如果您認(rèn)識 Ajinomoto 這個(gè)名字，您可能會驚訝地發(fā)現(xiàn)它在芯片領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用：該公司更為人所知的是全球領(lǐng)先的味精調(diào)味粉供應(yīng)商。20 世紀(jì) 90 年代，味之素發(fā)現(xiàn)味精的副產(chǎn)品可以制成很好的絕緣體，從那時(shí)起，味之素就在這一利基材料領(lǐng)域享有近乎壟斷的地位。
據(jù)味之素介紹，ABF的故事始于1970年代，在1990年代后期首次在個(gè)人計(jì)算機(jī)中得到采用，并且隨著CPU性能的提高而發(fā)展到今天。
隨著從MS-DOS到Windows操作系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，用于個(gè)人計(jì)算機(jī)的CPU的大規(guī)模集成的興起以及終端的數(shù)量從早期的約1990個(gè)增加到上千個(gè)，對高級CPU基板的需求在40年代迅速增長。或更多。這導(dǎo)致從“引線框”配置轉(zhuǎn)變?yōu)榘惭b在包含復(fù)雜布線圖案的多層電路基板上的CPU，從而迫切需要新的絕緣材料。
味之素集團(tuán)從1970年代開始就將氨基酸化學(xué)應(yīng)用于環(huán)氧樹脂及其復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究。最終導(dǎo)致開發(fā)用于CPU基板的高級絕緣子。作為該領(lǐng)域的后來者，味之素集團(tuán)對薄膜的關(guān)注使公司的產(chǎn)品與傳統(tǒng)的墨水型絕緣子脫穎而出，并形成了一種材料，該材料解決了在高性能CPU中使用傳統(tǒng)的絕緣子帶來的重大問題。當(dāng)ABF可供制造商使用時(shí)，它滿足了快速增長的全球需求。
味之素表示，實(shí)現(xiàn)ABF研發(fā)的R＆D的基本目標(biāo)是找到一種樹脂組合物，該組合物將決定絕緣材料的性能，提供電氣材料的必要功能并促進(jìn)成膜。味之素集團(tuán)在精細(xì)化學(xué)方面的專長被用于開發(fā)將有機(jī)環(huán)氧樹脂，硬化劑和無機(jī)微粒填料結(jié)合在一起的配方。主要挑戰(zhàn)包括開發(fā)一種方法，以使有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)均勻混合，從而固有地抵抗均勻分散，并提供優(yōu)異的絕緣性能和優(yōu)異的加工特性。
為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種具有高耐用性，低熱膨脹性，易于加工和其他重要特征的熱固性薄膜。該膜名為ABF，該膜于1999年被一家主要的半導(dǎo)體制造商首次采用。此后，它已成為幾乎所有高性能CPU的首選產(chǎn)品，并得到了不斷發(fā)展的R＆D的支持，以滿足快速發(fā)展帶來的需求在電路集成中。也就是從那時(shí)候起，ABF 就一直引領(lǐng)市場。
電路集成的進(jìn)步使由納米級電子電路組成的CPU成為可能。這些電路必須連接到電子設(shè)備和系統(tǒng)中的毫米級電子組件。這可以通過使用由多層微電路組成的CPU“床”來完成，稱為“堆積基板”。ABF有助于形成這些微米級電路，因?yàn)樗谋砻婵梢越邮芗す饧庸ず椭苯渝冦~。如今，ABF是形成電路的重要材料，該電路可將電子從納米級CPU端子引導(dǎo)到印刷基板上的毫米級端子。
味之素表示，隨著CPU性能的快速提升，ABF的質(zhì)量也在不斷提高。這就要求不斷研發(fā)具有不同性能的絕緣樹脂，改進(jìn)產(chǎn)品特性，滿足新興客戶要求的加工技術(shù)以及反復(fù)進(jìn)行測試和驗(yàn)證。
實(shí)現(xiàn)發(fā)熱的CPU環(huán)境所需的熱穩(wěn)定性，優(yōu)化電路形成必不可少的電鍍工藝以及促進(jìn)激光加工只是需要專門知識和專業(yè)知識的眾多挑戰(zhàn)中的幾個(gè)。隨著CPU的發(fā)展和多樣化，這些技能對于生產(chǎn)滿足客戶要求的基于ABF的最佳電路基板至關(guān)重要。
絕緣體瓶頸
但MIT科技評論在一篇文章中表示，味之素不生產(chǎn)芯片中的任何其他部件。事實(shí)上，芯片中的絕緣材料依賴于分散的供應(yīng)鏈：一層使用味之素的材料，另一層使用另一家公司的材料，依此類推，沒有一個(gè)層針對協(xié)同工作進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)數(shù)據(jù)通過短路徑傳輸時(shí)，最終的系統(tǒng)可以正常工作，但在較長的距離（例如芯片之間）上，薄弱的絕緣體會成為瓶頸，浪費(fèi)能源并降低計(jì)算速度。
最近，這一問題越來越引起人們的關(guān)注，特別是隨著人工智能訓(xùn)練的規(guī)模變得越來越昂貴，并且消耗的能源數(shù)量令人瞠目結(jié)舌。而且，一些問題也開始凸顯。
這些對Pastine來說都沒有多大意義，作為一名化學(xué)家，他于 2019 年將自己以前的公司（專門回收硬塑料）賣給了一家工業(yè)化學(xué)品公司。大約在那個(gè)時(shí)候，他開始相信化學(xué)品行業(yè)的創(chuàng)新可能會很緩慢，他認(rèn)為同樣的模式阻礙了芯片制造商尋找更好的絕緣材料。他說，在芯片行業(yè)，絕緣體“有點(diǎn)被視為紅發(fā)繼子（redheaded stepchild）”——他們還沒有看到晶體管和其他芯片元件取得的進(jìn)展。
同年，他推出了 Thintronics，希望破解更好的絕緣體上的代碼能夠以更低的成本為數(shù)據(jù)中心提供更快的計(jì)算速度。這個(gè)想法并不是開創(chuàng)性的——新的絕緣體正在不斷被研究和部署——但帕斯廷相信他可以找到合適的化學(xué)物質(zhì)來實(shí)現(xiàn)突破。
Thintronics 表示，它將為芯片的所有層制造不同的絕緣體，用于設(shè)計(jì)用于更換現(xiàn)有生產(chǎn)線的系統(tǒng)。Pastine表示，這些材料目前正在由許多行業(yè)參與者進(jìn)行測試。但他以保密協(xié)議為由拒絕提供姓名，同樣也不愿透露公式的細(xì)節(jié)。
如果沒有更多細(xì)節(jié)，很難確切地說 Thintronics 材料與競爭產(chǎn)品相比效果如何。該公司最近測試了其材料的 Dk 值，該值是衡量材料絕緣體有效性的指標(biāo)。Venky Sundaram 是一位研究人員，他創(chuàng)立了多家半導(dǎo)體初創(chuàng)公司，但沒有參與 Thintronics，他對研究結(jié)果進(jìn)行了審查。他說，與其他堆積薄膜（Thintronics 競爭的介電類別）相比，它們最令人印象深刻的 Dk 值比當(dāng)今可用的任何其他材料都要好。
崎嶇不平的道路
Thintronics 的愿景已經(jīng)獲得了一些支持。該公司于 3 月份獲得了由風(fēng)險(xiǎn)投資公司 Translink 和 Maverick 領(lǐng)投的 2000 萬美元 A 輪融資，以及美國國家科學(xué)基金會的資助。
該公司還在尋求 CHIPS 法案的資金。該法案由喬·拜登總統(tǒng)于 2022 年簽署成為法律，旨在促進(jìn) Thintronics 等公司的發(fā)展，以便將半導(dǎo)體制造帶回美國公司并減少對外國供應(yīng)商的依賴。該法案成為法律一年后，政府表示已有 450 多家公司提交了意向書，希望獲得 CHIPS 資金來開展整個(gè)行業(yè)的工作。
該立法的大部分資金將用于大型制造設(shè)施，例如英特爾在新墨西哥州和臺積電在亞利桑那州運(yùn)營的工廠。但美國商務(wù)部長吉娜·雷蒙多表示，她希望看到規(guī)模較小的公司也能獲得資金，特別是在材料領(lǐng)域。2 月份，專門用于材料創(chuàng)新的 3 億美元資金申請開放。雖然 Thintronics 拒絕透露正在尋求多少資金或從哪些項(xiàng)目尋求資金，但該公司確實(shí)將 CHIPS 法案視為主要推動(dòng)力。
但建立島內(nèi)芯片供應(yīng)鏈（該產(chǎn)品目前依賴全球數(shù)十家公司）將意味著扭轉(zhuǎn)不同國家數(shù)十年的專業(yè)化趨勢。行業(yè)專家表示，挑戰(zhàn)當(dāng)今占主導(dǎo)地位的絕緣體供應(yīng)商將很困難，他們常常不得不適應(yīng)新的競爭。
“二十多年來，味之素一直是一種占據(jù) 90% 以上市場份額的材料，”Sundaram 說。“這在大多數(shù)企業(yè)中都是聞所未聞的，你可以想象他們是不會因?yàn)椴桓淖兌鴮?shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的。”
一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)是，占主導(dǎo)地位的制造商與 Nvidia 或 Advanced Micro Devices 等芯片設(shè)計(jì)商以及臺積電等制造商有著長達(dá)數(shù)十年的合作關(guān)系。讓這些玩家換掉材料，可是一件大事。
“半導(dǎo)體行業(yè)非常保守，”在電介質(zhì)行業(yè)工作超過 25 年的半導(dǎo)體研究員 Larry Zhu 說道。“他們喜歡使用他們已經(jīng)非常了解的供應(yīng)商，他們知道這些供應(yīng)商的質(zhì)量。”
Thintronics 面臨的另一個(gè)障礙是技術(shù)方面的：絕緣材料與其他芯片元件一樣，都遵循非常精確的制造標(biāo)準(zhǔn)，以至于難以理解。味之素占主導(dǎo)地位的層比人的頭發(fā)還薄。該材料還必須能夠容納小孔，其中容納垂直穿過薄膜的電線。Sundaram 表示，每一次新的迭代都是一項(xiàng)大規(guī)模的研發(fā)工作，現(xiàn)有公司憑借多年的經(jīng)驗(yàn)在這方面占據(jù)了上風(fēng)。
如果這一切都在實(shí)驗(yàn)室中成功完成，那么還會面臨另一個(gè)障礙：材料必須在大批量生產(chǎn)設(shè)施中保留這些特性，而這正是 Sundaram 過去的努力失敗的地方。
“多年來，我曾為幾家試圖闖入[味之素]業(yè)務(wù)但未能成功的材料供應(yīng)商提供咨詢，”他說。“它們最終都遇到了在大批量生產(chǎn)線上不那么容易使用的問題。”
盡管面臨所有這些挑戰(zhàn)，但有一點(diǎn)可能對 Thintronics 有利：微軟和Meta等美國科技巨頭在設(shè)計(jì)自己的芯片方面首次取得進(jìn)展。該計(jì)劃是將這些芯片用于內(nèi)部人工智能培訓(xùn)以及出租給客戶的云計(jì)算能力，這兩者都將減少該行業(yè)對英偉達(dá)的依賴。
盡管微軟、谷歌和 Meta 拒絕評論他們是否正在追求絕緣體等材料的進(jìn)步，但 Sundaram 表示，這些公司可能更愿意與新的美國初創(chuàng)公司合作，而不是默認(rèn)制造芯片的舊方法：“他們有與現(xiàn)有的大公司相比，他們對供應(yīng)鏈的態(tài)度更加開放。”
【來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察】
