集成電路是當前“卡脖子”的關(guān)鍵核心技術(shù)之一。突破圍堵和封鎖，不僅需要扎實(shí)地跟蹤國際上的先進(jìn)研

還需要放開(kāi)思路、敢于領(lǐng)先。新型集成電路的設計，是我們彎道超車(chē)的可能途徑之一。

2018年1月，美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì )（IEEE）刊文《4種新奇的新計算途徑》，將冷量子神經(jīng)元、用導線(xiàn)做計算、納米小滴和硅電路板這4種探索列為未來(lái)計算機的可能突破性技術(shù)。這里重點(diǎn)介紹“用導線(xiàn)做計算”。

“用導線(xiàn)做計算”最早在2017年由美國密蘇里大學(xué)堪薩斯分校Naveen Kumar Macha和他的研究小組報道，當時(shí)被稱(chēng)為“串音計算”。其基本原理是，隨著(zhù)集成電路集成度的提高，導線(xiàn)之間的空間距離越來(lái)越小。如此一來(lái)，一根導線(xiàn)上的信號越來(lái)越容易通過(guò)自身固有的電磁場(chǎng)作用，引起周?chē)渌麑Ь€(xiàn)的信號變化。即，信號可以穿過(guò)絕緣體到達別的導線(xiàn)，引起“串音”現象。

當前主流的集成電路設計思路，是通過(guò)調整導線(xiàn)間的距離、形狀等，盡力消除“串音”現象的不利影響?！按簟眲t反其道而行之，Macha研究小組認為，可以直接利用這種“串音”現象進(jìn)行信號傳輸，從而變廢為寶。這種設計思路的改變，可以大大提高集成電路的集成度。

該小組宣稱(chēng)，他們已經(jīng)研制出多種數字邏輯門(mén)電路、數模轉換、容錯電路等集成芯片，并已實(shí)現相同的計算功能。與主流CMOS集成電路相比，他們的“串音”芯片需要明顯少的晶體管，以及少得多的芯片面積。目前，該小組已經(jīng)開(kāi)始研制“串音”的超大規模集成電路。

筆者認為，與另外3種新奇的計算途徑相比，“串音計算”的理論基礎是麥克斯韋經(jīng)典電磁理論，其研制對新材料、新技術(shù)的依賴(lài)較少，是最可能實(shí)現應用的新途徑。

從理論角度看，宏觀(guān)電磁相互作用的最基本形式是電磁場(chǎng)。電荷在導體或半導體內部的移動(dòng)和導線(xiàn)帶電后外部固有的電磁場(chǎng)，是電磁信號傳播中同時(shí)存在的兩種基本方式。當導體間的空間距離較大、信號頻率較低時(shí)，導體、半導體內的電荷移動(dòng)是信號傳輸的主要方式；而當空間距離很小、信號頻率很高時(shí)，導體外部的電磁場(chǎng)傳輸信號成為主要的方式。此時(shí)，通常意義上的絕緣體不再有效阻礙電磁信號的傳播，即絕緣體不再絕緣。信號既在導體、半導體內部傳輸，又在導體、半導體外部穿過(guò)絕緣體傳播。

后一種情況，包括大家熟悉的無(wú)線(xiàn)電廣播或電視。我們使用收音機、電視機，在不直接接觸發(fā)射臺的情況下，可以在離發(fā)射臺數十公里以外的地方聽(tīng)廣播、看電視。當這種情況出現在集成電路內部時(shí)，就是“串音計算”。

“串音計算”的實(shí)質(zhì)，是一種“半電路、半電磁場(chǎng)”的計算。從研制的可行性看，這類(lèi)集成電路研制沒(méi)有原理性障礙，主要是導線(xiàn)內部和外部的信號計算、導線(xiàn)和晶體管的空間結構設計與加工等技術(shù)性困難。

實(shí)際上，我國學(xué)者在1995年就預見(jiàn)了“串音計算”。更準確地說(shuō)，是“半電路、半電磁場(chǎng)”的計算。筆者在1995年《關(guān)于“互容”概念的意義》一文中提出：“在實(shí)踐上，由于‘互容’可看成是寄生在寄體上‘部分電容’的特定表現，因此，‘互容’概念的建立，意味著(zhù)有可能將通常不受歡迎的寄生的‘部分電容’用作信號傳輸的‘元件’。這在特殊電路中應有所考慮。由于互容參數較小，因而可考慮用來(lái)實(shí)現高集成度的快速的‘神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )’這類(lèi)多互聯(lián)的電路集成（即直接利用寄生的互容參數來(lái)實(shí)現電路的互聯(lián)）?！?br/>

正是由于我們比美國學(xué)者提前20多年預見(jiàn)了串音計算（“半電路、半電磁場(chǎng)”計算），特此撰文呼吁我國進(jìn)行該類(lèi)集成電路的研制前景分析，力爭實(shí)現可能的彎道超車(chē)。

 摘自《中國科學(xué)報》