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，不僅需要扎實地跟蹤國際上的先進研

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

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

“用導線做計算”最早在2017年由美國密蘇里大學堪薩斯分校Naveen Kumar Macha和他的研究小組報道，當時被稱為“串音計算”。其基本原理是，隨著集成電路集成度的提高，導線之間的空間距離越來越小。如此一來，一根導線上的信號越來越容易通過自身固有的電磁場作用，引起周圍其他導線的信號變化。即，信號可以穿過絕緣體到達別的導線，引起“串音”現(xiàn)象。

當前主流的集成電路設計思路，是通過調(diào)整導線間的距離、形狀等，盡力消除“串音”現(xiàn)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(xiàn)象進行信號傳輸，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，他們已經(jīng)研制出多種數(shù)字邏輯門電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換、容錯電路等集成芯片，并已實現(xiàn)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)開始研制“串音”的超大規(guī)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(chǔ)是麥克斯韋經(jīng)典電磁理論，其研制對新材料、新技術(shù)的依賴較少，是最可能實現(xiàn)應用的新途徑。

從理論角度看，宏觀電磁相互作用的最基本形式是電磁場。電荷在導體或半導體內(nèi)部的移動和導線帶電后外部固有的電磁場，是電磁信號傳播中同時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，導體、半導體內(nèi)的電荷移動是信號傳輸?shù)闹饕绞?；而當空間距離很小、信號頻率很高時，導體外部的電磁場傳輸信號成為主要的方式。此時，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(nèi)部傳輸，又在導體、半導體外部穿過絕緣體傳播。

后一種情況，包括大家熟悉的無線電廣播或電視。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(shù)十公里以外的地方聽廣播、看電視。當這種情況出現(xiàn)在集成電路內(nèi)部時，就是“串音計算”。

“串音計算”的實質(zhì)，是一種“半電路、半電磁場”的計算。從研制的可行性看，這類集成電路研制沒有原理性障礙，主要是導線內(nèi)部和外部的信號計算、導線和晶體管的空間結(jié)構(gòu)設計與加工等技術(shù)性困難。

實際上，我國學者在1995年就預見了“串音計算”。更準確地說，是“半電路、半電磁場”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(xiàn)，因此，‘互容’概念的建立，意味著有可能將通常不受歡迎的寄生的‘部分電容’用作信號傳輸?shù)摹?。這在特殊電路中應有所考慮。由于互容參數(shù)較小，因而可考慮用來實現(xiàn)高集成度的快速的‘神經(jīng)網(wǎng)絡’這類多互聯(lián)的電路集成（即直接利用寄生的互容參數(shù)來實現(xiàn)電路的互聯(lián)）?！?br/>

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

 摘自《中國科學報》