幾十年來，材料在半導體設計中始終扮演著幕后角色。如今，它已走向舞臺中央。
今年夏初，Meta公司簽署了一項為期20年的協議，以延長伊利諾伊州一座核電站的使用壽命，該核電站將為該公司在該地區的業務提供1.1GW的電力。
這筆交易對核電站運營商而言是一條生命線。但更重要的是，它標志著能源密集型科技公司迎來一個轉折點——成為大型科技企業如何保障核能可行性的示范案例。
此外，xAI公司因無視環境法規，使用未經許可的甲烷氣體發生器為其位于田納西州孟菲斯的Colossus超級計算機供電而受到廣泛批評。
需求端的數據不會說謊：高盛研究部預測，到本世紀末，全球數據中心的電力需求將增長高達165%；預計到2028年，人工智能(AI)將占其中的19%。
Meta的這筆交易看起來像是應對AI能源需求的一種大膽解決方案，但它只是延緩了問題的爆發。真正的問題不在供應端，而在需求端。
隨著AI工作負載持續呈指數級增長，唯一可持續的發展路徑是大幅提升能源效率——而這正是當前半導體行業所面臨的重大挑戰。
答案不僅在于傳統的芯片架構，更在于對連接和隔離計算系統的材料進行根本性的重新構想。
數十年來，整個行業一直被摩爾定律的可預測性所引導，甚至可以說是在這種規律的“保護”之下發展。每兩年，我們都能期待更快、更便宜、更密集的芯片問世。但這一承諾已經破裂，而與此同時，第二場結構性變革也正在發生：AI的爆發正以前所未有的速度推動著計算與帶寬需求的增長，其速度遠遠超出了傳統架構原本設計所能承載的極限。
三重威脅：能耗、熱量與物理極限
我們正將越來越多的能耗投入到系統中，卻收獲越來越小的性能提升。這并非增長曲線，而是一個危險信號。
每一瓦特的計算功率都會轉化為一瓦特的熱負荷，迫使我們部署更加復雜的冷卻系統，例如液浸式冷卻、冷卻板和相變材料。在風扇不再實用的緊湊環境中，熱設計已成為制約因素。
這一挑戰的核心在于摩爾定律本身的失效。從物理角度看，我們已經到達了原子邊界。3nm和2nm等先進節點的柵極長度已接近幾個原子的寬度，量子隧穿效應和漏電流將成為嚴重障礙。
散熱和互連延遲，而非晶體管的開關速度，已成為主要瓶頸。
其經濟影響同樣嚴峻。開發和制造每個新工藝節點的成本呈指數級增長。極紫外光刻(EUV)和其他尖端制造技術所需的投資，只有臺積電、英特爾和三星等少數幾家公司能夠承擔。
對于許多應用而言，單個晶體管的成本已不再下降，這違背了摩爾定律的一項基本承諾。
互連危機
隨著芯片數量的激增以及AI加速器尺寸和復雜性的不斷膨脹，芯片、電路板和系統之間的布線正成為主要的性能瓶頸。
跨接電纜和高帶寬內存接口是巧妙的方案，但它們會增加成本、復雜性和脆弱性。在某種程度上，封裝比硅片本身更具挑戰性。
跨芯片封裝、襯底和主板的統一絕緣材料。
材料革命由此拉開序幕。像Thintronics這樣的公司正在興起，重新思考芯片設計中一個基本卻被忽視的組件：用于隔離和絕緣互連的介電材料。
這些絕緣層已成為性能瓶頸，但也代表著巨大的轉型機遇之一。
分子層面的創新
元件之間的空間已成為新的前沿領域。傳統的介電絕緣體通常針對機械強度而非電氣性能進行優化，難以滿足高速、高密度和高熱應力環境的需求。
Thintronics正致力于解決這一問題，采用分子層面設計的可調低介電常數(Dk)材料，以減少信號損耗和能量耗散。
Thintronics推出新型無中介層架構。
這種方法旨在推動架構變革。通過使用一種跨芯片、封裝和電路板的統一電介質平臺，可以簡化系統設計，從而完全消除對昂貴中介層的需求。這不僅可以大幅降低組裝復雜性和功耗，還能削弱先進代工廠對封裝路線圖的控制。
風險投資的轉變
投資者正在關注這一轉變。僅在2024年第四季度，就有75家半導體公司融資超過30億美元。
雖然AI芯片仍然備受關注，但一些規模最大的融資輪次流向了那些重新構想其余堆棧的公司：例如Lightmatter(4億美元)和Ayar Labs(1.55億美元)等光互連先驅，以及Enfabrica等先進封裝公司。
這不僅僅關乎計算本身，還關乎圍繞計算并連接計算的一切。Thintronics的A輪融資由Maverick Capital和Translink Capital領投，共籌集2000萬美元，其他投資者包括Toppan Holdings和Merck KGaA。
新范式
能源約束、熱瓶頸以及摩爾定律的終結交織在一起，引發了一場系統性挑戰。
未來的勝利不僅依賴于晶體管的高性能，更需要將材料科學、系統架構和封裝設計等學科整合進一個統一的創新體系。
幾十年來，材料在半導體設計中一直扮演著幕后角色。如今，它們已然成為焦點。像Thintronics這樣的公司，其工作將分子化學、計算力學和電子工程融為一體，代表了一種新型企業：垂直整合、系統感知，并隨時準備重塑一切可能。
因為真正的問題不在于我們能否制造出更快的芯片，而在于我們是否準備好圍繞它們重建系統。要做到這一點，我們需要的不僅僅是巧妙的布局或漸進式的調整。我們需要重新思考構建未來的材料本身。
(原文刊登于EE Times美國版，參考鏈接：Beyond Moore's Law: We Need To Rethink Materials For The New Computing Era，由Franklin Zhao編譯。)
本文為《電子工程專輯》2025年8月刊雜志文章，版權所有，禁止轉載。免費雜志訂閱申請點擊這里。
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