试图理解计算机芯片的所有复杂组件可能是一件令人头疼的事，那些通过铜线“高速公路”相互连接的微观组件层，有些地方甚至比人类的头发丝还细。这些电线之间存在一种名为电介质的绝缘材料，以确保电线不会相互接触和短路。进一步放大，在芯片和下面的结构之间存在一种特殊的电介质，这种材料被称为介电膜，是以薄如白细胞的薄片制成的。30 年来，一家名为味之素（Ajinomoto）的日本公司通过制作这种薄片赚取了数十亿美元。竞争对手一直难以望其项背，如今味之素仍占据着 90% 以上的市场份额。但现在，一家总部位于美国加利福尼亚州伯克利的初创公司正在研发一种新产品，试图与味之素竞争，并将芯片制造供应链的这一小部分带回美国。这家公司名为 Thintronics，其材料（产品）是一款专为满足人工智能时代的计算需求而设计的。该公司声称，这种新材料具有更好的绝缘性能，如果能广泛采用，就意味着数据中心的运算速度更快，能源成本更低。在 2800 亿美元的《芯片与科学法案》的刺激下，该公司与其他美国公司一同站在了半导体行业的发展前沿。该法案试图让美国在半导体行业掌握更大的话语权，尤其是目前由少数国际公司主导的几个细分领域。但要想取得成功，Thintronics 及其同行必须克服一系列挑战，解决技术问题，打破建立已久的行业关系，并说服全球半导体巨头接纳新的供应商。Thintronics 创始人兼首席执行官斯特凡·帕斯汀（Stefan Pastine）表示：“发明新材料平台并将其推向世界非常困难。这不适合胆小的人。”
绝缘体的瓶颈味之素这个名字听起来似乎跟芯片没什么关系：该公司更为人所知的成就是，世界领先的味精调味粉供应商。20 世纪 90 年代，味之素发现味精的一种副产品是很好的绝缘体，从那以后，它几乎垄断了这种小众材料。但味之素不生产任何其他用于芯片的东西。事实上，芯片中的绝缘材料依赖于分散的供应链：一层使用味之素的材料，另一层使用另一家公司的材料，以此类推，它们并没有被优化和整合到一起。当数据的传输距离较短时，绝缘系统可以正常工作，但当距离变长时，如芯片和芯片之间的传输，弱绝缘体会成为瓶颈，浪费能量并降低计算速度。这一点越来越令人担忧，尤其是随着人工智能的训练越来越昂贵，消耗的能量也越来越大（味之素没有回应置评请求）。帕斯汀是一名化学家，他在 2019 年将自己专门研究硬塑料回收的公司出售给了一家工业化学品公司。自那时起，他开始相信化工行业的创新速度很慢，他认为同样的问题阻碍了芯片制造商寻找更好的绝缘材料。他说，在芯片行业，绝缘体“有点被视为边缘人物”，它们的发展进程远比不上晶体管和其他芯片组件。同年，他成立了 Thintronics，希望找到更好的绝缘体，以更低的成本为数据中心提供更快的计算速度。这个想法并非开创性的，很多人都在不断研究和尝试新的绝缘体，但帕斯汀相信他可以找到合适的化学物质来实现突破。
（来源：资料图）Thintronics 表示，它将为芯片的所有层制造不同的绝缘体，可以与现有生产线无缝衔接。帕斯汀告诉我，许多行业参与者目前正在测试这些材料。但他以保密协议为由拒绝提供名字，同样也不愿透露技术细节。在没有更多技术细节的情况下，很难对比 Thintronics 的材料与其他公司的竞争产品。该公司最近测试了其材料的 Dk 值（介电常数），这个指标可以衡量材料的绝缘能力。研究人员温基·桑达拉姆（Venky Sundaram）评估了结果，他创立了多家半导体初创公司，但与 Thintronics 没有关系。他说，与其他积层膜（Thintronics 正在研发的电介质类别）相比，它们的 Dk 值令人印象深刻，比当今任何其他材料都要好。
前路漫漫
Thintronics 的努力已经获得了一些支持。该公司在 2024 年 3 月获得了由风险投资公司 Translink 和 Maverick 牵头的 2000 万美元 A 轮融资，以及美国国家科学基金会的拨款。该公司也在寻求《芯片法案》的资助。该法案于 2022 年成为法律，旨在促进 Thintronics 等半导体公司的发展，从而将半导体制造业带回美国，减少对外国供应商的依赖。该法案成为法律一年后，政府表示，已有 450 多家公司提交了意向书，尝试获得资助。该法案的大部分资金将用于大型制造厂，如位于美国新墨西哥州的英特尔新工厂和位于美国亚利桑那州的台积电新工厂。但美国商务部长吉娜·雷蒙多（Gina Raimondo）表示，她希望小公司也能获得资金，尤其是在材料领域。2024 年 2 月，专门用于材料创新的 3 亿美元资金池开放申请。虽然 Thintronics 拒绝透露其正在寻求多少资金或从哪些项目获得资金，但该公司确实将《芯片法案》视为一大推动力。但与绝缘相关的产品目前依赖于全球数十家公司，想建立一个美国本土的芯片供应链，意味着扭转不同国家几十年来塑造的专业化趋势。行业专家表示，当今占主导地位的绝缘体供应商很难撼动，它们已经习惯了对抗新的竞争对手。桑达拉姆说：“20 多年来，味之素一直占据着 90% 以上的市场份额。这在大多数行业是闻所未闻的，很明显，他们并不是依靠一成不变来实现这一点的。”一大挑战是，占主导地位的绝缘材料制造商与英伟达、AMD 等芯片设计公司，以及台积电等芯片制造商有着长达数十年的合作关系。要求这些行业大玩家更换材料是很难实现的。“半导体行业非常保守。”在电介质行业工作超过 25 年的半导体研究员 Larry Zhao 说：“他们喜欢使用自己非常熟悉的供应商，质量有保证。”Thintronics 还面临着技术障碍：与其他芯片组件一样，绝缘材料的制造标准非常精确，难以实现。味之素占主导地位的绝缘层，其厚度还不及人的头发。这种材料还必须能够开孔，这些小孔要容纳垂直穿过薄膜的电线。桑达拉姆说，每一次新的迭代都是一次大规模的研发工作，老牌公司在这方面有多年的经验，因此占据了上风。如果所有这些都能在实验室中完成，那么前方还有另一个障碍：材料必须在大批量生产时保留这些特性，而桑达拉姆过去看到很多公司就是在这里失败的。他说：“多年来，我曾为几家试图打破味之素业务壁垒的材料供应商提供建议，但他们最终都没能成功，在大规模生产时遇到了无法解决的难题。”尽管面临重重挑战，但有一件事可能对 Thintronics 有利：微软和 Meta 等美国科技巨头首次在设计自己的芯片方面取得了进展。它们计划将这些芯片用于内部人工智能（模型）训练，以及作为云计算服务的一部分，这两项计划都将减少行业对英伟达的依赖。微软、谷歌和 Meta 拒绝评论它们是否在推动绝缘体等材料的进步。但桑达拉姆表示，这些公司可能更愿意与新的美国初创公司合作，而不是墨守成规的芯片制造方式：“他们对供应链的态度比现有的大公司开放得多。”
作者简介：詹姆斯·奥唐奈（James O'Donnell）是《麻省理工科技评论》的人工智能记者，他专注于报道自动驾驶汽车、手术机器人和聊天机器人等技术的承诺和风险。在加入《麻省理工科技评论》之前，他曾在调查新闻媒体 FRONTLINE PBS 工作。他的文章曾发表于《华盛顿邮报》、ProPublica、WNYC 等媒体上。
支持：Ren
排版：刘雅坤
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