試圖了解計算機晶片的所有複雜元件可能是一件令人頭疼的事，那些通過銅線“高速公路”互相連接配接的微觀元件層，有些地方甚至比人類的頭發絲還細。
這些電線之間存在一種名為電媒體的絕緣材料，以確定電線不會互相接觸和短路。進一步放大，在晶片和下面的結構之間存在一種特殊的電媒體，這種材料被稱為介電膜，是以薄如白細胞的薄片制成的。
30 年來，一家名為味之素（Ajinomoto）的日本公司通過制作這種薄片賺取了數十億美元。競争對手一直難以望其項背，如今味之素仍占據着 90% 以上的市場佔有率。
但現在，一家總部位于美國加利福尼亞州伯克利的初創公司正在研發一種新産品，試圖與味之素競争，并将晶片制造供應鍊的這一小部分帶回美國。
這家公司名為 Thintronics，其材料（産品）是一款專為滿足人工智能時代的計算需求而設計的。該公司聲稱，這種新材料具有更好的絕緣性能，如果能廣泛采用，就意味着資料中心的運算速度更快，能源成本更低。
在 2800 億美元的《晶片與科學法案》的刺激下，該公司與其他美國公司一同站在了半導體行業的發展前沿。該法案試圖讓美國在半導體行業掌握更大的話語權，尤其是目前由少數國際公司主導的幾個細分領域。
但要想取得成功，Thintronics 及其同行必須克服一系列挑戰，解決技術問題，打破建立已久的行業關系，并說服全球半導體巨頭接納新的供應商。
Thintronics 創始人兼首席執行官斯特凡·帕斯汀（Stefan Pastine）表示：“發明新材料平台并将其推向世界非常困難。這不适合膽小的人。”
絕緣體的瓶頸
味之素這個名字聽起來似乎跟晶片沒什麼關系：該公司更為人所知的成就是，世界領先的味精調味粉供應商。
20 世紀 90 年代，味之素發現味精的一種副産品是很好的絕緣體，從那以後，它幾乎壟斷了這種小衆材料。
但味之素不生産任何其他用于晶片的東西。事實上，晶片中的絕緣材料依賴于分散的供應鍊：一層使用味之素的材料，另一層使用另一家公司的材料，以此類推，它們并沒有被優化和整合到一起。
當資料的傳輸距離較短時，絕緣系統可以正常工作，但當距離變長時，如晶片和晶片之間的傳輸，弱絕緣體會成為瓶頸，浪費能量并降低計算速度。
這一點越來越令人擔憂，尤其是随着人工智能的訓練越來越昂貴，消耗的能量也越來越大（味之素沒有回應置評請求）。
帕斯汀是一名化學家，他在 2019 年将自己專門研究硬塑膠回收的公司出售給了一家工業化學品公司。
自那時起，他開始相信化工行業的創新速度很慢，他認為同樣的問題阻礙了晶片制造商尋找更好的絕緣材料。
他說，在晶片行業，絕緣體“有點被視為邊緣人物”，它們的發展程序遠比不上半導體和其他晶片元件。
同年，他成立了 Thintronics，希望找到更好的絕緣體，以更低的成本為資料中心提供更快的計算速度。
這個想法并非開創性的，很多人都在不斷研究和嘗試新的絕緣體，但帕斯汀相信他可以找到合适的化學物質來實作突破。
（來源：資料圖）
Thintronics 表示，它将為晶片的所有層制造不同的絕緣體，可以與現有生産線無縫銜接。
帕斯汀告訴我，許多行業參與者目前正在測試這些材料。但他以保密協定為由拒絕提供名字，同樣也不願透露技術細節。
在沒有更多技術細節的情況下，很難對比 Thintronics 的材料與其他公司的競争産品。該公司最近測試了其材料的 Dk 值（介電常數），這個名額可以衡量材料的絕緣能力。
研究人員溫基·桑達拉姆（Venky Sundaram）評估了結果，他創立了多家半導體初創公司，但與 Thintronics 沒有關系。
他說，與其他積層膜（Thintronics 正在研發的電媒體類别）相比，它們的 Dk 值令人印象深刻，比當今任何其他材料都要好。
前路漫漫
Thintronics 的努力已經獲得了一些支援。該公司在 2024 年 3 月獲得了由風險投資公司 Translink 和 Maverick 牽頭的 2000 萬美元 A 輪融資，以及美國國家科學基金會的撥款。
該公司也在尋求《晶片法案》的資助。該法案于 2022 年成為法律，旨在促進 Thintronics 等半導體公司的發展，進而将半導體制造業帶回美國，減少對外國供應商的依賴。
該法案成為法律一年後，政府表示，已有 450 多家公司送出了意向書，嘗試獲得資助。
該法案的大部分資金将用于大型制造廠，如位于美國新墨西哥州的英特爾新工廠和位于美國亞利桑那州的台積電新工廠。但美國商務部長吉娜·雷蒙多（Gina Raimondo）表示，她希望小公司也能獲得資金，尤其是在材料領域。
2024 年 2 月，專門用于材料創新的 3 億美元資金池開放申請。雖然 Thintronics 拒絕透露其正在尋求多少資金或從哪些項目獲得資金，但該公司确實将《晶片法案》視為一大推動力。
但與絕緣相關的産品目前依賴于全球數十家公司，想建立一個美國本土的晶片供應鍊，意味着扭轉不同國家幾十年來塑造的專業化趨勢。行業專家表示，當今占主導地位的絕緣體供應商很難撼動，它們已經習慣了對抗新的競争對手。
桑達拉姆說：“20 多年來，味之素一直占據着 90% 以上的市場佔有率。這在大多數行業是聞所未聞的，很明顯，他們并不是依靠一成不變來實作這一點的。”
一大挑戰是，占主導地位的絕緣材料制造商與英偉達、AMD 等晶片設計公司，以及台積電等晶片制造商有着長達數十年的合作關系。要求這些行業大玩家更換材料是很難實作的。
“半導體行業非常保守。”在電媒體行業工作超過 25 年的半導體研究員 Larry Zhao 說：“他們喜歡使用自己非常熟悉的供應商，品質有保證。”
Thintronics 還面臨着技術障礙：與其他晶片元件一樣，絕緣材料的制造标準非常精确，難以實作。味之素占主導地位的絕緣層，其厚度還不及人的頭發。
這種材料還必須能夠開孔，這些小孔要容納垂直穿過薄膜的電線。桑達拉姆說，每一次新的疊代都是一次大規模的研發工作，老牌公司在這方面有多年的經驗，是以占據了上風。
如果所有這些都能在實驗室中完成，那麼前方還有另一個障礙：材料必須在大批量生産時保留這些特性，而桑達拉姆過去看到很多公司就是在這裡失敗的。
他說：“多年來，我曾為幾家試圖打破味之素業務壁壘的材料供應商提供建議，但他們最終都沒能成功，在大規模生産時遇到了無法解決的難題。”
盡管面臨重重挑戰，但有一件事可能對 Thintronics 有利：微軟和 Meta 等美國科技巨頭首次在設計自己的晶片方面取得了進展。
它們計劃将這些晶片用于内部人工智能（模型）訓練，以及作為雲計算服務的一部分，這兩項計劃都将減少行業對英偉達的依賴。
微軟、谷歌和 Meta 拒絕評論它們是否在推動絕緣體等材料的進步。
但桑達拉姆表示，這些公司可能更願意與新的美國初創公司合作，而不是墨守成規的晶片制造方式：“他們對供應鍊的态度比現有的大公司開放得多。”
作者簡介：詹姆斯·奧唐奈（James O'Donnell）是《麻省理工科技評論》的人工智能記者，他專注于報道自動駕駛汽車、手術機器人和聊天機器人等技術的承諾和風險。在加入《麻省理工科技評論》之前，他曾在調查新聞媒體 FRONTLINE PBS 工作。他的文章曾發表于《華盛頓郵報》、ProPublica、WNYC 等媒體上。
支援：Ren
排版：劉雅坤