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半導(dǎo)體奇思：芯片中 “復(fù)制” 人腦｜技術(shù)前沿

2021/10/03
導(dǎo)讀
改變生活的技術(shù)前沿信息。
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導(dǎo)讀


《知識(shí)分子》每周有一個(gè)專欄，專門遴選介紹面向人類認(rèn)知前沿的有趣的科學(xué)進(jìn)展?！顿愊壬吩诔掷m(xù)梳理了20期技術(shù)前沿資訊以后，覺得讀者也許對(duì)未來改變生活的技術(shù)前沿資訊也感興趣，這是我們刊發(fā)的第三期內(nèi)容，歡迎您閱后對(duì)技術(shù)前沿資訊專欄提出寶貴建議。


專欄前期精彩：

老藥新用：靶向藥物幫助70%小鼠消除胰腺癌｜技術(shù)前沿

請(qǐng)進(jìn)：這里有最新的技術(shù)前沿


01

二氧化碳實(shí)驗(yàn)室合成淀粉：速率達(dá)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)8.5倍


圖片來自u(píng)nplush.com


淀粉是人類飲食中最常見的碳水化合物，亦被廣泛應(yīng)用于造紙等工業(yè)生產(chǎn)中。自然界中，淀粉主要由玉米、土豆等植物經(jīng)光合作用合成，歷經(jīng)60余個(gè)生物化學(xué)反應(yīng)，不僅占用大量耕地，能源轉(zhuǎn)化效率亦不足2%。如何更高效地產(chǎn)出淀粉供給日益增長的全球人口，是可持續(xù)發(fā)展道路上的一個(gè)重要問題。

近日，中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所馬延和團(tuán)隊(duì)，利用人工設(shè)計(jì)的重組酶系統(tǒng)，構(gòu)建了一條僅需11步化學(xué)反應(yīng)的二氧化碳至淀粉人工合成路徑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該方法合成淀粉的速率達(dá)到了自然界中的8.5倍，按當(dāng)前參數(shù)計(jì)算，1立方米大小的生物反應(yīng)器，便可以實(shí)現(xiàn)我國五畝玉米地的年產(chǎn)量。

不過，多位科學(xué)家在為這一技術(shù)突破感到欣喜的同時(shí)，也提醒該成果仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，高昂的生產(chǎn)費(fèi)用、較高的能源要求都將是其量產(chǎn)道路上必須解決的阻礙。
 
該論文已發(fā)表于最新一期《科學(xué)》（Science）。

02

Cadence推出全新芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具：效率提升10倍
 
圖片來自u(píng)nplush.com

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）軟件可以輔助工程師高效、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)赝瓿沙笠?guī)模集成電路設(shè)計(jì)，是現(xiàn)代芯片工業(yè)中不可或缺的一部分。

近日，全球EDA三大巨頭之一的楷登電子（Cadence）宣布，推出一款完全基于機(jī)器學(xué)習(xí)的芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具Cerebrus。通過增強(qiáng)學(xué)習(xí)模型，該軟件可以快速找到工程師可能不會(huì)主動(dòng)嘗試的解決方案，并累積團(tuán)隊(duì)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)效率。

在5nm制程手機(jī)CPU設(shè)計(jì)任務(wù)中，相比人工設(shè)計(jì)，應(yīng)用該軟件效率提升高達(dá)10倍，且功耗、性能和面積（PPA）結(jié)果改善20%。根據(jù)三星晶圓廠等首批試用客戶的反映，該軟件在多項(xiàng)現(xiàn)實(shí)任務(wù)中也已立下大功，如幾天內(nèi)實(shí)現(xiàn)人工幾個(gè)月的模塊功耗減少等。

03

中美聯(lián)合團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)全球最小飛行器：比擬圓珠筆尖
 
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近年來，微型飛行器在軍事偵察、病菌檢測(cè)、污染監(jiān)察等領(lǐng)域有著迫切需求，然而其小型化進(jìn)程卻似乎達(dá)到了瓶頸。目前市場(chǎng)上主流的電子飛行器均為主動(dòng)驅(qū)動(dòng)，由于機(jī)械部件本身的復(fù)雜性，很難在保證較長飛行時(shí)間的同時(shí)進(jìn)一步縮小尺寸。

為解決該問題，美國西北大學(xué)與中國清華大學(xué)等多家機(jī)構(gòu)組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，提出了由自然風(fēng)驅(qū)動(dòng)的被動(dòng)微型飛行器思路。受植物種子的空氣動(dòng)力學(xué)特性啟發(fā)，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了多款能在空氣中可控旋轉(zhuǎn)的飛行器3D結(jié)構(gòu)，并將傳感器、電源、無線通信天線等部件以超小化技術(shù)集成其中，其中最小的寬度不過0.5毫米。

在實(shí)驗(yàn)中，科研人員發(fā)現(xiàn)，它們?cè)O(shè)計(jì)的飛行器甚至比種子具有更穩(wěn)定的軌跡、更慢的下落速度，在環(huán)保等應(yīng)用場(chǎng)景中大有可為。與此同時(shí)，為避免飛行器本身造成的污染問題，該團(tuán)隊(duì)還開發(fā)出一種瞬態(tài)電子器件，使其能夠在使用結(jié)束后于水中無害化溶解。
 
該研究已發(fā)表于最新一期《自然》（Nature）封面。

04

全民發(fā)電：使用壽命達(dá)30年的太陽能電池窗
 
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太陽能是當(dāng)前人類可及的最廉價(jià)能源之一，然而厚重的硅基太陽能板往往只能被集中安置于遠(yuǎn)離用電核心區(qū)的郊野地帶，受維護(hù)成本與地理環(huán)境限制，進(jìn)一步擴(kuò)張困難重重。

為解決這一問題，密歇根大學(xué)某團(tuán)隊(duì)將目光投向了無處不在、且能夠垂直疊加的窗戶。通過向富勒烯受體構(gòu)成的太陽能電池窗上鍍加一層氧化鋅（ZnO）保護(hù)罩，及碳基緩沖層，科研人員成果研制出了一款透明度40%、光電轉(zhuǎn)換效率10%，且在等同30年紫外線照射強(qiáng)度下保持80%性能的太陽能電池窗，打破了半透明有機(jī)太陽能電池的多項(xiàng)記錄。

研究人員表示，未來他們有信心進(jìn)一步將該太陽能窗透明度提升至60%。據(jù)他們估算，如果該電池窗能覆蓋美國70億平方米左右的玻璃表面，它將可以滿足全美40%的能源需求，使幾乎每幢建筑變?yōu)榘l(fā)電廠。
 
該研究已發(fā)表于最新一期《自然·通訊》（Nature Communications）。
 
05

“復(fù)制”人類大腦于芯片：三星聯(lián)合哈佛公布新研究
 
圖片來自u(píng)nplush.com

上世紀(jì)八十年代以來，科學(xué)家們便曾設(shè)想在芯片上模擬人類大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與功能，實(shí)現(xiàn)高效任務(wù)處理。然而，由于我們對(duì)人類大腦這一復(fù)雜器官的知識(shí)有限，該目標(biāo)始終未得到推進(jìn)。

近日，三星集團(tuán)與哈佛大學(xué)組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)提出一種全新思路，即借由高度敏感的納米電極陣列，記錄大腦神經(jīng)元間電流信號(hào)，獲得并拷貝人類大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)圖，再將存儲(chǔ)芯片間傳導(dǎo)性按神經(jīng)元鏈接強(qiáng)度進(jìn)行編程，將該“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)圖”粘貼于半導(dǎo)體上。

面臨虛擬神經(jīng)元帶來的存儲(chǔ)技術(shù)極限挑戰(zhàn)，研究負(fù)責(zé)人之一、哈佛大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)教授咸燉憙認(rèn)為，在這一宏偉的設(shè)想中，他們的產(chǎn)研聯(lián)合團(tuán)隊(duì)將同時(shí)推進(jìn)機(jī)器智能、神經(jīng)科學(xué)和半導(dǎo)體技術(shù)的邊界。
 
該研究計(jì)劃已發(fā)表于最新一期《自然·電子》（Nature Electronics）。


參考文獻(xiàn)： 

[1] Cai Tao et al, Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide, Science (2021). DOI: 10.1126/science.abh4049

[2] https://www.cadence.com/zh_CN/home/company/newsroom/press-releases/pr/2021/cadence-extends-digital-design-leadership-with-revolutionary-ml-.html

[3] Kim, B.H., Li, K., Kim, JT. et al. Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds. Nature 597, 503–510 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03847-y

[4] Li, Y., Huang, X., Ding, K. et al. Non-fullerene acceptor organic photovoltaics with intrinsic operational lifetimes over 30 years. Nat Commun 12, 5419 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-25718-w

[5] Ham, D., Park, H., Hwang, S. et al. Neuromorphic electronics based on copying and pasting the brain. Nat Electron 4, 635–644 (2021). https://doi.org/10.1038/s41928-021-00646-1


制版編輯 | Morgan


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