群体智慧启发纳米印刷高性能芯片线路的新思路

Intel创始人戈登·摩尔曾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18~24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,每个芯片的性能只有微小增加,这些困难意味着芯片的发展极限受到挑战,因而发展新的集成电路高效制造方法势在必行。科学家围绕着线路的优化设计提出了如群体智慧所引发的最优线路等设想,其特点就是在群体的背景下寻求每个单体的行为对总信息交流的影响。例如,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Steiner Tree排布,然而以简便的自组装方式制造最优的微纳线路从未实现。

AM-songyanlin

图示:群体智慧启发最优微纳线路的印刷制造

近期,中国科学院化学研究所宋延林课题组受蚂蚁、蜜蜂和萤火虫等群体智慧的启发,围绕着线路的优化设计,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,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,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。与中国科学院半导体研究所所陈弘达课题组合作,对所制备的线路进行测试。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。

该项研究是绿色纳米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。相关工作作为Cover近期发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201605223)上,第一作者为中国科学院化学研究所博士生苏萌。

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