半导体材料，从幕后走上台前

今年夏天早些时候，Meta与伊利诺伊州一家核电站签署了一份为期20年的协议，旨在延长该核电站的寿命，该电站将为Meta在该地区的运营提供1.1吉瓦的电力。

这项协议对核电运营商来说是一线生机。但更重要的是，对于能源饥渴的科技公司而言，它是一个分水岭，是一个如何通过大型科技公司承保核能可行性的部署实例。

在其他地方，xAI因在使用未经许可的甲烷燃气发电机为其位于田纳西州孟菲斯的“巨像”（Colossus）超级计算机供电时忽视环境法规而受到广泛批评。

需求侧的数据不言而喻：高盛研究公司预测，到本十年末，数据中心的全球电力需求将增加多达165%，其中人工智能预计到2028年将占其中的19%。

AI能耗，什么是根本问题？

Meta的交易看起来像是应对AI能源消耗大胆解决方案，但这只是在拖延问题。真正的问题不在于供应，而在于需求。

随着AI工作负载持续呈指数级增长，唯一可持续的前进道路是激进的能源效率——这是半导体行业现在被迫正面应对的挑战。

答案不仅仅来自传统的芯片架构，还来自对连接和绝缘我们计算系统的材料的根本性重新构想。

几十年来，行业一直受摩尔定律可预测性的引导，你也可以说是被其“绝缘”了。每两年，我们都可以指望芯片更快、更便宜、密度更高。但这个承诺已经破裂，与此同时，第二次地质构造般的转变也发生了：AI爆炸式增长正以远超传统架构所能承受的速度推动计算和带宽需求。

我们正向系统中投入更多能源，以实现越来越小的性能提升。这并非增长曲线，而是一个红色警报。

每一瓦的计算功率都将转化为一瓦的热负荷，这迫使部署越来越精密的冷却系统，例如浸入式冷却、冷板和相变材料。在风扇不切实际的紧凑环境中，热设计已成为限制因素。

这一挑战的核心在于摩尔定律本身的失效。从物理上讲，我们已经达到了原子前沿。3纳米和2纳米等先进节点的栅极长度正接近几个原子的宽度，量子隧穿和漏电流成为严重的障碍。

散热和互连延迟，而非晶体管开关速度，已成为主要的瓶颈。

经济影响同样严峻。开发和制造每个新节点的成本呈指数级增长。极紫外光刻和其他尖端制造技术需要只有少数几家公司（如台积电、英特尔和三星）才能承担的投资。

对于许多应用而言，每晶体管成本不再下降，这打破了摩尔定律的基本承诺之一。

随着小芯片（chiplets）的普及以及AI加速器尺寸和复杂性的膨胀，裸芯片、电路板和系统之间的布线正成为主导的性能瓶颈。

飞线和高带宽内存接口是巧妙的“修补”，但它们增加了成本、复杂性和脆弱性。在某个临界点，封装变得比硅本身更具挑战性。

这就是材料革命的开始。像Thintronics这样的公司正在崭露头角，重新思考芯片设计中一个基本但常被忽视的组件：分离和绝缘互连的介电材料。

这些绝缘层已成为性能的瓶颈，但它们也代表着最大的转型机会之一。

创新，来自分子层面

组件之间的空间已成为新的前沿。传统的介电绝缘体通常为机械坚固性而非电气性能而优化，难以满足高速、高密度和热应力环境的需求。

Thintronics正通过在分子层面工程设计的可调谐、低Dk材料来解决这一问题，以减少信号损耗和能量耗散。

这种方法旨在促进架构转变。通过使用在芯片、封装和电路板上均表现良好的统一介电平台，系统设计可以简化，从而完全消除对昂贵中介层的需求。这可以大大降低组装复杂性和功耗，同时削弱先进晶圆厂对封装路线图的控制。

投资者正在关注这一转变。仅在2024年第四季度，就有75家半导体公司筹集了超过30亿美元的资金。

尽管AI芯片仍是头条新闻，但一些最大的融资轮次投向了重新构想堆栈其余部分的公司：例如光学互连先驱Lightmatter（4亿美元）和Ayar Labs（1.55亿美元），以及Enfabrica等先进封装公司。

这不仅仅关乎计算，更关乎其周围和连接。Thintronics的A轮融资筹集了2000万美元，由Maverick Capital和Translink Capital领投，投资者包括凸版控股（Toppan Holdings）和默克集团（Merck KGaA）。

材料，需要重新思考

能源限制、热瓶颈和摩尔定律的终结汇聚，引发了系统性挑战。

未来不会仅靠从晶体管中榨取更多性能来赢得，而是要将材料科学、系统架构和封装设计等学科整合到统一的创新中。

几十年来，材料在半导体设计中一直是“幕后玩家”。现在它们登上了中心舞台。像Thintronics这样的公司，其工作横跨分子化学、计算力学和电气工程，代表着一种新型公司：垂直整合、系统感知，并有望重塑可能性。

因为真正的问题不是我们能否制造更快的芯片，而是我们是否准备好重建围绕它们的系统。为此，我们需要的不仅仅是巧妙的布局或渐进式的调整。我们需要重新思考构建未来的基本材料。