原標(biāo)題：江城實(shí)驗(yàn)室破解高端芯片供電難題 為我國先進(jìn)集成電路自主可控補(bǔ)上關(guān)鍵一環(huán)

從生成式AI大模型訓(xùn)練，到高端游戲顯卡、智能手機(jī)終端，如今市場對芯片算力的需求呈指數(shù)級上漲。當(dāng)你遇到AI服務(wù)器突然卡頓、掉幀、藍(lán)屏，玩手游時機(jī)身異常發(fā)熱、降頻，數(shù)據(jù)中心算力不穩(wěn)定、任務(wù)出錯率上升……這些問題往往與芯片“供電不穩(wěn)”相關(guān)。

5月29日，湖北日報全媒記者從湖北省科技廳獲悉，位于武漢的江城實(shí)驗(yàn)室近日在應(yīng)用于先進(jìn)計算芯片的高密度片上電容關(guān)鍵技術(shù)上取得重大突破，成功研制氧化硅介質(zhì)基三維多層通孔電容結(jié)構(gòu)，并配套研發(fā)高精度自研仿真解析模型，一舉破解長期困擾全球高端芯片產(chǎn)業(yè)的供電難題，多項(xiàng)核心性能達(dá)到國際先進(jìn)水平，為我國先進(jìn)集成電路自主可控補(bǔ)上關(guān)鍵一環(huán)。

算力騰飛 芯片供電失衡成隱形短板

為匹配當(dāng)下暴漲的算力需求，芯片廠商不斷提升晶體管集成數(shù)量，單顆AI訓(xùn)練芯片、高端GPU晶體管規(guī)模突破數(shù)百億甚至上千億級別。但龐大的晶體管集群，也給芯片供電系統(tǒng)帶來前所未有的壓力。

江城實(shí)驗(yàn)室主任楊道虹在接受記者專訪時表示，現(xiàn)代高端芯片負(fù)載切換速度達(dá)到納秒級別，瞬時電流波動極大，一旦供電系統(tǒng)無法快速補(bǔ)給電荷、平抑電壓波動，芯片就會出現(xiàn)電壓塌陷、過沖等故障，直接影響設(shè)備使用體驗(yàn)。

“普通用戶其實(shí)每天都能直觀感受到供電短板帶來的負(fù)面影響。”楊道虹解釋道，電腦高負(fù)載運(yùn)行時突發(fā)掉幀、藍(lán)屏，手機(jī)運(yùn)行大型手游異常發(fā)熱、強(qiáng)制降頻，產(chǎn)業(yè)端的大型數(shù)據(jù)中心時常出現(xiàn)算力跳動、AI訓(xùn)練任務(wù)報錯率攀升等問題，追根溯源，本質(zhì)都是芯片供電不穩(wěn)定。

目前行業(yè)主流電容分為片外電容與片上平面電容兩類：片外電容遠(yuǎn)離芯片計算核心，受線路電感制約，難以響應(yīng)納秒級高頻電流變化；傳統(tǒng)平面片上電容受二維結(jié)構(gòu)限制，電容密度普遍低于每平方毫米20納法，若想要滿足高端芯片供電需求，需要占用大量晶圓面積，大幅拉高芯片設(shè)計與制造成本。

“簡單來說，傳統(tǒng)電容要么‘反應(yīng)慢’，要么‘占地大’，無法適配新時代高算力芯片的發(fā)展需求。”楊道虹總結(jié)道，破解高端芯片供電難題，必須跳出平面電容的研發(fā)思維，從結(jié)構(gòu)層面做出顛覆性創(chuàng)新。

百倍性能躍升 補(bǔ)齊我國高端芯片領(lǐng)域短板

過去，高密度片上電容主要依賴海外先進(jìn)代工廠的專有工藝或IP。摒棄固有設(shè)計思路，楊道虹帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，創(chuàng)新研發(fā)三維多層同軸通孔電容結(jié)構(gòu)，徹底顛覆傳統(tǒng)電容的設(shè)計邏輯與制備模式，讓平鋪的二維電容轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw式三維電容，實(shí)現(xiàn)技術(shù)質(zhì)的突破。

如果說傳統(tǒng)平面電容是一張薄紙，吸水能力有限，那么新型三維電容就像一個海綿，具有密集的微孔道和巨大的內(nèi)表面積。研發(fā)團(tuán)隊(duì)依托成熟的硅基工藝，在硅片內(nèi)部刻蝕出微米級別的高深微孔，隨后利用專業(yè)設(shè)備，在微孔內(nèi)壁分層交替沉積高介電常數(shù)介質(zhì)材料與金屬電極，打造出無數(shù)微型同軸電容單元。

經(jīng)多輪嚴(yán)苛測試，該三維片上電容密度突破每平方毫米1000納法，相較于市面上被稱為“電子工業(yè)大米”的商用積層陶瓷電容器，穩(wěn)壓性能提升百倍以上，從行業(yè)橫向?qū)Ρ葋砜�，該技術(shù)核心參數(shù)對標(biāo)頭部科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)，綜合性能躋身全球第一梯隊(duì)。

團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)專屬解析模型，首次融入通孔同軸傳輸效應(yīng)與高頻動態(tài)特性，將復(fù)雜的電磁仿真運(yùn)算簡化為代數(shù)方程，計算效率提升數(shù)百倍，單次仿真僅需數(shù)分鐘，且最大誤差穩(wěn)定控制在5%以內(nèi)，既填補(bǔ)國內(nèi)技術(shù)空白，也為行業(yè)提供高效低成本的全新設(shè)計方案。

“我們從材料、結(jié)構(gòu)、模型到工藝全自主創(chuàng)新，讓國產(chǎn)高端芯片不再因?yàn)椤�供電不穩(wěn)’而受制于人。”楊道虹自豪地說，此次江城實(shí)驗(yàn)室技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)材料、結(jié)構(gòu)、工藝、建模全鏈條自主可控，徹底打破海外工藝與IP壁壘，補(bǔ)齊我國高端芯片無源器件領(lǐng)域的短板。

從實(shí)驗(yàn)室到商用 直擊全球百億級市場

隨著AI產(chǎn)業(yè)火爆，高端電容需求正在爆發(fā)式增長。據(jù)行業(yè)預(yù)測，僅全球高性能計算和AI芯片對先進(jìn)片上電容的市場需求，未來5年復(fù)合年增長率就超過30%。這是一個數(shù)十億乃至百億級別的潛在市場。

“我們正在開展工藝流片及小批量試產(chǎn)，有望1年內(nèi)在3D封裝領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)落地應(yīng)用�！睏畹篮缃榻B，作為湖北省重點(diǎn)布局的高能級集成電路創(chuàng)新平臺，江城實(shí)驗(yàn)室依托省級重大科技專項(xiàng)、關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目的專項(xiàng)資金支持，目前已完成核心模型搭建與中試驗(yàn)證，正穩(wěn)步推進(jìn)商用落地。

研發(fā)中期，團(tuán)隊(duì)曾遭遇電容高頻諧振異常問題，全員歷經(jīng)多輪通宵復(fù)盤、拆解失效樣品，才鎖定問題根源，并優(yōu)化工藝、修正模型。

“基礎(chǔ)研究中，這種從困惑到突破的過程，雖煎熬卻也是科研最寶貴的財富。”楊道虹表示，后續(xù)江城實(shí)驗(yàn)室將持續(xù)聚焦芯片底層“卡脖子”技術(shù)，持續(xù)輸出原創(chuàng)性、引領(lǐng)性科研成果，助力湖北構(gòu)筑集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展高地，為我國集成電路產(chǎn)業(yè)高水平自立自強(qiáng)筑牢底層技術(shù)根基。（湖北日報全媒記者 文俊 包東喜 陳熹 通訊員 姜勝來 張雅婧 劉玲）