微型芯片：开启数码制造的技术革命

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JOHN MARKOFF 报道 2013年04月13日



Amy Sullivan/PARC

微小的硅片经放大后的模样，这种被称为“微型芯片”的硅片大小不及一粒沙子。



加利福尼亚州帕洛阿尔托——在显微镜下，四个硅片——被称为微型芯片(chiplets)的电子电路——表演了一支复杂动感的舞蹈，仿佛是受控于一个隐藏的木偶大师。接着，它们按照指令精准地排列出一个电路图案，每一个硅片都位于正确的接触点。

在施乐公司(Xerox)的帕洛阿尔托研究中心（Palo Alto Research Center，简称PARC）展示的这项技术，是一种新型电子产品制造系统的一部分。该系统借鉴了施乐公司在上世纪70年代的发明：激光打印机。

这项技术一旦完善，就可以成就一个桌面制造厂，为各种的电子设备“打印”电路，这些设备包括有弹性的智能手机，即使你坐在上面也不会破；还有新型机器手的柔软、敏感皮肤；以及具备智能感应功能的医用绷带，能收集你的健康数据，用后即可丢弃。

今天的芯片是用大片的晶圆(wafer)制造的，每片晶圆上都有数百个指甲盖大小的晶粒(die)，每个晶粒里都有相同的电路。这些晶圆被切割成独立的晶粒后会分别封装，然后再在印刷电路板上重新组合，每个电路板都可能容纳几十甚至几百个芯片。

PARC的研究人员则在设想一种截然不同的模型。在美国国家科学基金(National Science Foundation)和国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，简称Darpa）的资助下，他们设计出一个类似激光打印机的机器，能精确地将几万乃至几十万个微型芯片准确地放在一个平面的正确位置上，每个微型芯片的大小不超过一粒沙子。

这些芯片可以是微处理器或计算机内存，还可以是制造完整计算机系统所需的其他电路。它们也可以是微机电系统（microelectromechanical systems，简称MEMS）一类的模拟器件，用于感应温度、压力或运动。

在PARC研究人员的设想里，这种新型制造系统可被用来制造定制的计算机，每次仅制造一台，也可以被用作3D打印系统的一部分，以制造直接内置计算机系统的智能设备。

这仍是一项未来技术。研究人员还需要多年才能在比一秒还要短很多的时间里同时把数万或数十万个电路放在准确的位置。他们也承认，要想制造出可堪商用的系统，这只是第一步。

然而，如果PARC的研究人员获得成功，他们将颠覆硅谷50年来的传统智慧。

生产射频标识(RFID)设备的硅谷企业Alien Technology在另一项类似但相对简单的技术上占据着前沿地位。这种被称为流体自组装(Fluidic Self Assembly)的基本概念是让一种称为“纳米块”的小型集成电路悬浮在液体中，然后在一个平面上流淌，纳米块随即掉入跟自己的形状相符的小孔中。

五十年来，计算机生产的传统思维是以每两年翻一番的速度把更多的晶体管塞到指甲盖大小的芯片中，从而让计算机更快、更强大。而上述的两种思路都彻底颠覆了这种思维。

这种新生的印刷技术提出了一个离经叛道的理念：为什么一定要把尽可能多的晶体管塞到一个小空间里，为什么不把晶体管涂抹在一个更大的平面上呢？

此外，这项研究也许会对经济产生极其巨大的影响——在制造业开启一个全新的数码时代，堪比30年前激光打印技术在出版业掀起的革命。

这种技术可以取代现在需要工厂才能组装的电路板，对现在这个遍布全球、需要雇佣成千上万工人的供应链进行大幅压缩。

同时它也是众多和3D打印相关的技术之一，后者是公众极为关注的领域，已经有人开始担心今后一切都可以在家里制造——从工具到枪支。

去年12月，麻省理工学院(MIT)比特和原子研究中心(Center for Bits and Atoms)负责人、物理学家尼尔·葛申菲尔德(Neil Gershenfeld)在《外交事务》(Foreign Affairs)杂志上撰文称：“数码制造技术可以根据个人需求，在任何地点、任何时间去设计和制造实体物品。”

在原型设计领域，固体、机械物件的3D打印已经开始被大规模应用，这种技术在小规模生产领域也越来越普及，而PARC的科学家们认为，最终将会有一系列的制造技术，将微电子设备和机械元件无缝融合在一起。

“你可以打印机械物件，但是如今的世界里很多东西不全是机械性的，”PARC主管史蒂芬·胡沃尔(Stephen Hoover)说，“如何以低廉的成本将智能大规模嵌入到世界中，将是‘物联网’中大有可为的一个领域。”

PARC构想的新制造系统会更易于定制。比如说，就像我们现在可以用软件来定制一台电脑的用途，未来的电脑可以根据它即将并入的系统来确定每台电脑的形状。或许在未来电脑只是一个部件而已，成为3D打印系统的部件编目中的一项。

PARC电机工程师尤金·周(Eugene Chow)带领的团队设计了一种新技术，他们称之为“静电干印微组装”。周说这种技术把晶圆分成几万个微型芯片，像“墨水”一样装在瓶子里，然后“打印”，跟施乐激光打印机在纸面上留下色粉差不多。

在计算机辅助下，PARC的这项技术会利用一系列可以产生微电场的电极来控制微小电路的精确定位——不但要在正确的位置上，还要以正确的方向来摆放。

“这是一个疯狂的革命性新工具，”周博士说。


翻译：经雷、陶梦萦