圖為Advanced Materials封面

編者按：

1965年，Intel創(chuàng)始人戈登·摩爾提出了著名的摩爾定律：半導(dǎo)體芯片上可集成的元器件數(shù)目每12個月便會增加一倍。然而，受線路產(chǎn)生的熱量、響應(yīng)速度及密集線路間電磁干擾的限制，實際芯片的性能卻并不能按摩爾定律描述的那樣快速地提升，科學界也一直在努力攻克制約芯片發(fā)展的諸多難題。

近期，中國科學院化學研究所宋延林研究員課題組受螞蟻群體智慧的啟發(fā)，開發(fā)出了種巧妙的方法，找到了解決困擾芯片發(fā)展極限的電磁干擾難題的新途徑。

撰文| 武雪瑞（化學博士、中科幻彩首席運營官）

責編| 呂浩然

摩爾定律曾預(yù)言，半導(dǎo)體芯片上可集成的元器件的數(shù)目每12個月便會增加一倍。但是受線路產(chǎn)生的熱量、響應(yīng)速度及密集線路間電磁干擾的限制，如今，芯片性能提高的速度卻越來越緩慢，因此，發(fā)展新的集成電路的優(yōu)化設(shè)計與制備技術(shù)勢在必行。

在設(shè)計電路板時，設(shè)計者意圖在生物中尋找答案。正如人類大腦約有400億皮層神經(jīng)元，但不同神經(jīng)間的有效連接竟不超過六個交叉節(jié)點。設(shè)計者們夢想構(gòu)造出類似大腦的設(shè)計，但迄今為止，科學家已提出多種多樣的串線優(yōu)化概念，以提高集成電路的抗干擾性能，但基于傳統(tǒng)思路的技術(shù)制造流程卻極為復(fù)雜，且成品缺陷較多。

近日，中科院化學所宋延林研究員課題組受螞蟻、蜜蜂和螢火蟲等群體智慧的啟發(fā)，即螞蟻的巢穴并不是簡單的直線連接，而是交叉排列，涉及到節(jié)點間最短連接問題，即SteinerTree排布。圍繞著線路的優(yōu)化設(shè)計，課題組提出了自組織結(jié)構(gòu)思路。通過模仿螞蟻以最低能量消耗的方式運動，課題組構(gòu)造了材料液滴的自發(fā)收縮模型，使其在蒸發(fā)過程中的結(jié)構(gòu)符合數(shù)學規(guī)律，實現(xiàn)節(jié)點間最短線路的連接，從而實現(xiàn)以自然簡便的方式制造最優(yōu)的微納線路。

以此為基礎(chǔ)，課題組使含有納米顆粒的溶液自然形成熱力學上最低表面能的狀態(tài)，其對應(yīng)的就是數(shù)學上所有節(jié)點間最短連接，從而實現(xiàn)了最優(yōu)微納線路的印刷制造。（圖1）

該研究于2月17日以封面論文的形式發(fā)表在Advanced Materials 雜志上（Adv.Mater.2017,29,1605223）。

圖1、最優(yōu)微納線路的印刷制造

不僅如此，宋延林研究員課題組還與中科院半導(dǎo)體所陳宏達研究員課題組合作，對所制備的線路進行了測試。由于其多交叉的連接構(gòu)造，與傳統(tǒng)平行線相比，新線路構(gòu)造減少了65.9%的電磁干擾。液滴在模板間自發(fā)收縮成最低表面能狀態(tài)，使最終印刷的最優(yōu)微納線路長度減少了8.9%，延時減少17.1%，能量延損減少24.5%，為高性能芯片的線路制造提供了全新的設(shè)計思路。（圖2）

圖2、最優(yōu)線路電學測試及優(yōu)化性能

這種受生物群體智慧啟發(fā)，利用微米模版操控液滴自然成型使納米材料自組裝為微納尺度最優(yōu)線路的方法，是納米綠色印刷技術(shù)在先進制造領(lǐng)域的一大突破，對印刷制造高性能芯片線路的發(fā)展具有重要的意義。

感謝中科院化學所宋延林研究員、蘇萌博士和錢鑫博士對本文寫作的幫助。