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[征求意见稿] “半电路、半电磁场”电路：目标和现状

已有 1917 次阅读 2023-8-21 23:10 |个人分类:科学 - 艺术 - 社会|系统分类:科研笔记

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[征求意见稿] “半电路、半电磁场”电路：目标和现状

由于目前学术性期刊发表的要求，相关的较为具体的内容无法在这里汇报。所以，下面是一个“通俗”性质的汇报。

感谢您的理解！

一、“半电路、半电磁场”电路：概念和目标

1.1 什么是“半电路、半电磁场”电路？

同时利用“载流子”、“电磁场”工作的电路或设备。

与现有的电路或设备有什么差别？

（1）现有的大多数“电路”，属于“集中参数电路”。主要使用“载流子”工作。例如，金属类导体利用自由电子工作；半导体类利用电子和空穴工作。

（2）其余的一类是微波电路（网络）。微波的频率范围从 300 MHz 到 3000 GHz，相应的波长从 1 米到 0.1 毫米。微波网络的参量可通过理论计算或实验测量的方法来确定。对于含有源器件的网络或十分复杂的微波网络，需要借助微波网络分析仪或六端口反射计等专用仪器测定其网络参量。

目前，这两类电路（网络）使用不太相同的方法来研究和设计。

（3）还有一类是分布参数系统。该类系统的变量与参数是空间位置的函数。电磁学中的麦克斯韦方程（Maxwell equation）就是一种分布参数系统。“半电路、半电磁场”电路，从分类上大体属于该类。从目前看，“半电路、半电磁场”电路是该大类里一种比较特殊的系统，特别是用于集成电路生产时。

1.2 “半电路、半电磁场”电路的目标

随着集成电路的密度越来越高，导体、半导体之间的空间距离越来越近。芯片内部电磁场之间的相互干扰越来越显著。此时，除了采用“屏蔽”类措施消除干扰外，另一种思路就是在电路设计时，直接将这些电磁干扰变废为宝，使它们成为有用信号的物理载体。

可以推断：在量子集成电路工业化之前，“半电路、半电磁场”电路是最可能的高端集成电路芯片的主导方式。

在量子电路工业化之后，“半电路、半电磁场”电路应该是高端集成电路芯片的主导方式之一。

1.3 怎样设计“半电路、半电磁场”电路

对于集成电路，以导体、半导体之间的近场计算为主，需要“精确求解矢量麦克斯韦方程”。

应该研制专门的电磁场仿真软件，依据经典电磁理论进行“半电路、半电磁场”的集成电路设计。

二、“半电路、半电磁场”电路：现状

2.1 Macha 等人 2022年的判断

（1）神经形态计算、量子点细胞自动机、单电子晶体管、纳米磁和自旋电子器件、量子计算，虽有前景，但会遇到芯片设计与生产设备等难题。

（2）量子计算、神经形态计算，从原理上看无法真正替代 CMOS 数字芯片。

（3）串音计算，利用纳米级金属线之间的互连干扰传输信号，来进行逻辑计算。不仅减少了晶体管，还具有更好的可扩展性、容错性和安全性。

串音芯片只需要目前已有的生产技术，不会遇到生产与技术方面的新难题。

具体内容请看：

Naveen Kumar Macha, Md Arif Iqbal, Bhavana Tejaswini Repalle, Mostafizur Rahman. On circuit developments to enable large scale circuit design while computing with noise [J]. Integration, the VLSI journal, 2022, 84(无期号): 62-71.

doi: 10.1016/j.vlsi.2022.01.002

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167926022000025

评论：

串音计算，大有前途。是重振计算科学技术的未来可能途径之一。

该评论的权威出处：

Samuel K. Moore. 4 strange new ways to compute [News][J]. IEEE Spectrum ( Volume: 55, Issue: 1, January 2018): 10-11.

doi: 10.1109/MSPEC.2018.8241695

https://ieeexplore.ieee.org/document/8241695

对应的汉语介绍，请看闵应骅教授（IEEE Life Fellow）的介绍吧！放开思路，重振计算科学技术 (180112)：

https://blog.sciencenet.cn/blog-290937-1094444.html

此判断，还可以对照王阳元院士（2021）、宋继强（英特尔中国研究院院长，2019）等各位老师们的文献。已经列在下面。

2.2 发展的进程

下面类比一下晶体管、集成电路的发展过程。

1995 我的理论概念 ←→ 1952 Dummer 的集成电路概念

2017 Macha 等人的芯片 ←→ 1947 布拉坦、巴丁的点接触晶体管

2019开始我 ←→ 1936 Kelly 组织固体器件研究小组。有点像，不全对应

2019开始我 ←→ 1948~1951 结型晶体管。有点像，不全对应

？ ←→ 1958 基尔比集成电路原型

？ ←→ 1959 诺伊斯的全集成电路

？ ←→ 1959 霍尔尼的平面工艺

通俗地说：

“半电路、半电磁场”电路，概念有了，原型有了。

真正用于生产，还需要哪些技术或理论创新？

与 Macha 等人的“乐观”未来不同，我感觉（推断）：真正高性能的“半电路、半电磁场”电路，除了技术和工艺外，理论上、结构上，都还需要若干次重大创新！

从“计算机发展史”、“人类二十世纪最伟大的工程成就”等列出的时间表看，真正的科技进步，都不是“一人一时”完成的。真正的人类科技进步，绝非轻而易举。但是，我们必须坚信，“科学有险阻，苦战能过关。”

2.3 中国人的相关贡献

宋继强（英特尔中国研究院院长）老师 2019年写到：“80%的工作都是基于材料的改革”、“另外20%的工作基本上都是在寻求化学工艺方面的进步”。似乎都难以归为“原理”级别的创新。

并且，主流的现状是：“石墨烯晶体管没有如期出现；许多带有具体日期的预测也都普遍失准；随着工艺越来越小，越来越难以控制和生产半导体芯片。”

简言之，主流的集成电路进步主要靠“材料、工艺”两大方面。属于“仅从芯片器件技术自身”发展的思路。

实际上还存在第三方面：新的电路设计原理。以“半电路、半电磁场”电路为代表。属于“重新回到电路设计”源头和底层的思路。

在《科技导报》2019-02-13的《专题：集成电路》里，没有提到“电路设计原理”方面的进展。

中国人的思考，基本上属于世界领先。

2017年 Macha 等人的串音芯片，有力证明了“直接用电磁场做计算”思路的重大价值。类似于 1947 布拉坦、巴丁发明点接触晶体管。但是：

（1）Macha 等人的研究思路，中国人比他们早提出 20多年。

（2）在真正适合于工业生产的芯片设计上，2019年中国人公开了“研制专门的电磁场仿真软件，依据经典电磁理论进行‘半电路、半电磁场’的集成电路设计”的研究思路。

（3）2023年，中国人又提出了“将晶体管外部的导线计算，进一步深入到场效应管内部的载流子沟道计算”。

“仅从芯片器件技术自身”、“重新回到电路设计”是两种不同的未来芯片发展战略途径。目前的主流，包括 Macha 等人的串音芯片，基本上属于“仅从芯片器件技术自身”的发展途径。

中国人的“半电路、半电磁场”研究思路，是“重新回到电路设计”的新途径。集成电路，无非是“缩小”的电路（广义的电路）。按照目前的主流理论：电磁学中的麦克斯韦方程（Maxwell equation），是一种典型的分布参数系统（distributed parameter system）。“半电路、半电磁场”电路是重新回到源头和底层的思路。重新回到精确求解矢量麦克斯韦方程，这是未来电气化发展的主要途径之一。正如俞大光院士在 2002 年所指出：“‘场’是‘路’的基础，路是电磁现象和过程在特定条件下的分析方法”。克服“电路（即集中参数电路）”在芯片生产中的局限性，目前可以推断为历史的必然。

三、“半电路、半电磁场”电路思考的一个具体结果：多栅极场效应管

将过去的在晶体管外部进行的“与”“或”等逻辑运算，直接更改为在各类场效应晶体管内部的“载流子通道”的“通、断”控制。直接用多个栅极电压（电磁场）来实现“与”等逻辑计算。这是新型的“半电路、半电磁场”电路原理直接利用“场”工作的一个具体例子。

这种新型的多栅极场效应晶体管，就是将目前只有一个连接工作信号的栅极，拆分成2个以上。例如，这2个以上栅极呈现为沿载流子通道“串联”的空间位置时，只有当所有栅极电压同时满足“导通”时，该场效应管才导通。这样，通过多个栅极的空间位置“串联”，实现了对载流子通道的逻辑“与”计算（控制）。这个思路适合于各种类型的场效应管。

从原理上看，只用一个多栅极场效应管（和几个电阻），就可以实现“与非门”、“或非门”等。当然可以用于 CMOS类型的场效应管，核心部分如下面的图1。

这是一个有可能发大财的新思路。我故意公开，是为了“不发大财”：想体会一下当年居里夫妇放弃镭提炼专利权的感觉。

图3 献给全人类！假如它真的有用的话.jpg

图1 献给全人类！假如它真的有用的话。

假如该思路可行的话，对集成电路的冲击，应该不低于“浸润式光刻（Immersion lithography）”。真没想到：越是采用教材里的基础知识，实现的创新可能越大！

参考资料：

[1] 2022-01-20，电磁场/electromagnetic field/仲佰，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=180100&Type=bkzyb&SubID=100472

[2] 2023-08-09，电磁场理论/theory of electromagnetic field/王先冲，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=186655&Type=bkzyb&SubID=80493

[3] 2023-05-29，电磁场基本定理/basic theorem of electromagnetic field/方能航，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=94397&Type=bkzyb

[4] 2023-07-26，半导体材料/semiconductor materials/林兰英、周煌，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=152327&Type=bkzyb&SubID=109336

[5] 2023-02-28，分布参数系统/distributed parameter system/郭宝珠，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=322793&Type=bkzyb&SubID=168817

自然科学在科学原理的层次上发现了几十个支配自然规律的方程。由于不仅描述时间演化，也描述物体在空间演化的原因，其中的很多方程是偏微分方程。典型如流体力学中的纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equation）；量子力学的薛定谔方程（Schrödingerequation）；电磁学中的麦克斯韦方程（Maxwell equation）；

[6] 2023-08-18，微波/microwave/龚中麟，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=151020&Type=bkzyb&SubID=100478

频率范围从300兆赫到3000吉赫的电磁波。相应的波长从1米到0.1毫米。

[7] 2022-01-20，微波网络/microwave network/李嗣范，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=103739&Type=bkzyb&SubID=80513

[8] 2022-01-20，微波集成电路/microwave integrated circuit/龚中麟，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=144676&Type=bkzyb&SubID=99037

[9] 2022-01-20，微波技术/microwave technique/龚中麟，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=180548&Type=bkzyb&SubID=100477

[10] 2022-01-20，微波集成接收机/microwave integrated receiver/洪兴楠，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=94548&Type=bkzyb

[11] 2022-01-20，瞬变电磁场/transient electromagnetic field/沈浩明、黄席椿，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=94398&Type=bkzyb

[12] 2022-01-20，近场/near field/汪力，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=156841&Type=bkzyb&SubID=95653

近场电磁波的径向分量不等于零，电磁场的空间变化不存在一个简单的一般关系，必须由辐射体上振荡电流的具体分布决定，需要精确求解矢量麦克斯韦方程才能确定。

[13] 2022-01-20，远场/far field/汪力，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=139677&Type=bkzyb&SubID=95653

[14] 王阳元. 掌握规律，创新驱动，扎实推进中国集成电路产业发展[J]. 科技导报, 2021, 39(3): 31-51.

WANG Yangyuan. Solidly promoting the integrated circuit(IC) industry of China: Mastering law and adhering to innovation. Science & Technology Review, 2021, 39(3): 31-51.

doi: 10.3981/j.issn.1000-7857.2021.03.002

http://www.kjdb.org/CN/Y2021/V39/I3/31

[15] 宋继强. 智能时代的芯片技术演进[J]. 科技导报, 2019, 37(3): 66-68.

doi: 10.3981/j.issn.1000-7857.2019.03.010

http://www.kjdb.org/CN/abstract/abstract15236.shtml

在推进摩尔定律的过程中，80%的工作都是基于材料的改革。不光要研究怎样将芯片做小，还要研究如何用不同的方式来做这些器件。另外20%的工作基本上都是在寻求化学工艺方面的进步，如原子层沉积、原子层蚀刻等技术。

经过多次尝试之后，收获的同时也发现了很多错误：石墨烯晶体管没有如期出现；许多带有具体日期的预测也都普遍失准；随着工艺越来越小，越来越难以控制和生产半导体芯片。

[16] 闵应骅，2018-01-12，放开思路，重振计算科学技术 (180112) 精选