集成電路是當(dāng)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
還需要放開思路、敢于領(lǐng)先。新型集成電路的設(shè)計(jì)，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(huì)（IEEE）刊文《4種新奇的新計(jì)算途徑》，將冷量子神經(jīng)元、用導(dǎo)線做計(jì)算、納米小滴和硅電路板這4種探索列為未來計(jì)算機(jī)的可能突破性技術(shù)。這里重點(diǎn)介紹“用導(dǎo)線做計(jì)算”。
“用導(dǎo)線做計(jì)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(bào)道，當(dāng)時(shí)被稱為“串音計(jì)算”。其基本原理是，隨著集成電路集成度的提高，導(dǎo)線之間的空間距離越來越小。如此一來，一根導(dǎo)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(dǎo)線的信號變化。即，信號可以穿過絕緣體到達(dá)別的導(dǎo)線，引起“串音”現(xiàn)象。
當(dāng)前主流的集成電路設(shè)計(jì)思路，是通過調(diào)整導(dǎo)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(rèn)為，可以直接利用這種“串音”現(xiàn)象進(jìn)行信號傳輸，從而變廢為寶。這種設(shè)計(jì)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(cuò)電路等集成芯片，并已實(shí)現(xiàn)相同的計(jì)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(rèn)為，與另外3種新奇的計(jì)算途徑相比，“串音計(jì)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(shí)現(xiàn)應(yīng)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(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)部的移動(dòng)和導(dǎo)線帶電后外部固有的電磁場，是電磁信號傳播中同時(shí)存在的兩種基本方式。當(dāng)導(dǎo)體間的空間距離較大、信號頻率較低時(shí)，導(dǎo)體、半導(dǎo)體內(nèi)的電荷移動(dòng)是信號傳輸?shù)闹饕绞?；而?dāng)空間距離很小、信號頻率很高時(shí)，導(dǎo)體外部的電磁場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(dǎo)體、半導(dǎo)體內(nèi)部傳輸，又在導(dǎo)體、半導(dǎo)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(jī)、電視機(jī)，在不直接接觸發(fā)射臺(tái)的情況下，可以在離發(fā)射臺(tái)數(shù)十公里以外的地方聽廣播、看電視。當(dāng)這種情況出現(xiàn)在集成電路內(nèi)部時(shí)，就是“串音計(jì)算”。
“串音計(jì)算”的實(shí)質(zhì)，是一種“半電路、半電磁場”的計(jì)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(dǎo)線內(nèi)部和外部的信號計(jì)算、導(dǎo)線和晶體管的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工等技術(shù)性困難。
實(shí)際上，我國學(xué)者在1995年就預(yù)見了“串音計(jì)算”。更準(zhǔn)確地說，是“半電路、半電磁場”的計(jì)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(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＿@在特殊電路中應(yīng)有所考慮。由于互容參數(shù)較小，因而可考慮用來實(shí)現(xiàn)高集成度的快速的‘神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)’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(shí)現(xiàn)電路的互聯(lián)）。”
正是由于我們比美國學(xué)者提前20多年預(yù)見了串音計(jì)算（“半電路、半電磁場”計(jì)算），特此撰文呼吁我國進(jìn)行該類集成電路的研制前景分析，力爭實(shí)現(xiàn)可能的彎道超車。
摘自《中國科學(xué)報(bào)》
