IBM研發DNA晶片獲重大突破

文/范眠 2009-08-17

IBM Research的科學家首次成功把DNA的自我組合特性結合到晶片的蝕刻法上，不過該技術距實際的商業化應用還有一段不小的距離。

IBM研究中心（IBM Research）和加州理工學院於週日共同宣佈，利用DNA分子設計下一代晶片已獲得重大進展，可望用來製造出尺寸更小、功能更強大、且更省電的未來晶片。

這次主要的技術突破在於成功把DNA的「自我組合」（self-assemble）能力結合到晶片的蝕刻法（lithographic patterning）。負責這項研究計畫的IBM科學家Paul Rothmund表示，DNA分子具有「自我組合」特性，能夠組成三角形、四邊形、或星形等不同形狀。利用此一性質，可將DNA分子覆蓋在沉積數百萬個微 小碳奈米管或奈米粒子的晶片表面，以作為類似支架之用。與現有的晶片設計相較，碳奈米管就像是電晶體，而DNA分子作用便是電晶體間的連線，可以此原理製 造出非常微小的晶片。

過去數十年來，矽晶技術的持續微縮，目的就是要將更小的線路蝕刻在晶片表面，以獲得更高的整合度，並同時降低成本。目前，最快的電腦晶片是以45奈米製程製造，未來若要進展至22奈米技術，由於已近乎達到矽晶材料的物理極限，不但製造的困難度高，而且非常昂貴。

若要利用DNA技術製造晶片，科學家得先以傳統的晶片製造技術製作一蝕刻樣式，上面有所需的電路圖形。然後，將DNA溶液倒在矽晶表面，這時DNA會依蝕刻版上的電路圖形自我組合成微小的三角形和正方形，科學家將其稱之為DNA摺紙技術（DNA Origami）。

Rothmund指出，接下來最主要的任務便是要找出如何在DNA支架上堆積出數百萬個碳奈米管或奈米粒子的方式。若能精確地將這些微小的 Origami放置在晶圓表面，我們就可以利用DNA的特性製作出奈米電路板。因此，此技術的重點在於DNA結構是否能夠正確、精密地自我組合成晶圓上的 電路圖形。

不過科學家表示，儘管此技術有其未來發展潛力，但距實際的商業化應用還有一段不小的距離。因此，是否真能對半導體產業帶來革命性的改變，現在還無法做出定論。

此一研究成果將發表在這一期的自然奈米技術(Nature Nanotechnology)期刊。(編譯/范眠)


DNA摺紙技術圖示  

DNA電腦晶片 更小更強更省電

科學家利用DNA技術催生新一代奈米級晶片

關鍵字： DNA技術  奈米  晶片 

IBM與美國加州理工學院(California Institute of Technology)的研究人員，正合作利用DNA來將碳奈米管、矽奈米線(nanowires)等微小零組件，組裝成比現今微影技術可達到的尺寸小十倍的電路。這種技術並可望催生速度更快、功率更高，但成本卻更低也更省電的新一代晶片。

根據一篇已刊登在《Nature Nanotechnology》期刊的論文，這種人造DNA奈米結構(nanostructures)與「DNA摺紙技術(origami)」──也就是 將長長的單DNA鏈以較短的“staple strands”方式折疊成某種形狀──可做為在晶片表面上採用其他材料以自組裝(self-assembly)方式製造奈米電子元件或奈米光學元件的模板。

這種新技術是由美國加州理工學院教授暨資深研究員Paul "W. K." Rothemund所發明，並由IBM科學家Greg Wallraff所率領的研究團隊將其最佳化。

研究人員指出，製造更小、性能更高晶片的成本不斷攀高，讓半導體業者轉而尋找在矽晶片或其他半導體元件表面建構微電路的替代方案。而產業界在開發22奈米以下微影技術、以及利用碳奈米管、矽奈米線(silicon nanowires)製作新一代電晶體等方面也遭遇挑戰。

IBM所研發的新方法，是將DNA分子當作建築鷹架(或是縮小的電路板)，讓數以百萬計的碳奈米管能透過被DNA分子黏著，沉積並自組裝成精密的圖案──甚至可達到次22奈米(sub-22nm)微影的水準。

研 究人員是使用電子束微影(electron-beam lithography)與蝕刻製程，在矽或其他半導體材料上製作DNA摺紙形狀的「細胞結合位置(binding sites)」。該DNA摺紙技術是由加州理工大學所開發，能讓單DNA分子在某種溶液中，透過單病毒DNA長鏈與不同合成寡核?酸(synthetic oligonucleotide)短鏈間的化學反應進行自組裝。

那些短鏈的作用就像釘書針，能利用互補性的基配對效應(base pair binding)將病毒DNA折疊成所需的2D形狀(例如三角形、方形或星形等)，並做為奈米元件的附著點；其彼此間隔可小至6奈米。

IBM科學家使用DNA摺紙技術架構微小電路板(即圖中的三角形)，並以自動組裝排列在基板上

研究人員表示，目前相關技術仍有一些障礙待突破，至少需要五年的時間進行製程的最佳化，才能正式邁向商業化階段。

參考原文

˙ IBM looking to use DNA scaffolding for next gen chips (John Walko)

˙ IBM harnesses DNA to pattern nanoscale circuits (R. Colin Johnson)

IBM從DNA分子　看見微晶片的未來

(法新社)2009年8月18日 星期二 10:50

（法新社舊金山17日電） 國際商業機器公司（IBM ）今天表示，他們正試圖利用構成人體的基本元素DNA分子，研發下一代微晶片。

IBM位在加州的阿馬登研究中心（Almaden ResearchCenter）微影技術團隊主任辛斯伯格（Bill Hinsberg）表示，也被稱為DNA摺紙技術（DNA Origami）的人工DNA奈米結構（artificial DNA nanostructures），或許能夠為微晶片製造提供一個更低廉的架構。

微晶片廣泛應用在電腦、手機和其他電子產品。

IBM研究經理納拉揚（Spike Narayan）說：「這是生物分子首度被應用在半導體產業的製程之中。」

他說：「基本上這告訴我們，像DNA一樣的生物結構，事實上提供了部分可再製、重複性的形態，可供半導體製程利用。」

 

IBM用DNA來延續摩爾定律

ZDNet新聞專區：Brooke Crothers 2009/08/18 17:17:02

晶片的幾何規格越來越小，IBM打算用DNA（去氧[核糖]核酸）來讓未來晶片製造更有可行性。

 

週一，IBM研究院與加州理工學院的Paul W.K. Rothemund宣布了一種進階技術，可在相容於目前半導體製程設備的表面上來排列DNA的摺紙構造（origami structures）。

 

 

 

 

在一個微影圖案表面，低密度的三角形DNA摺紙附著於一條條的粗線上。

 

「縮小晶片來改善性能所衍生的成本，是科技能否跟上摩爾定律的主要限制因素，同時也是半導體產業所共同的關切，」IBM研究院科學技術部門經理Spike Narayan表示。

 

摩爾定律是以英特爾共同創辦人Gordon Moore為命名，該定律指出一塊積體電路板上可容納的電晶體約每兩年可增加一倍。40多年來，晶片製造商一直能縮小晶片幾何規格，使得摩爾定律得以存活。

 

但目前22奈米以下晶片可能無法繼續適用，到了2014年，半導體製程設備高昂的成本大概會威脅到摩爾定律，「導致產業根本經濟的重大變化。」iSuppli六月份一份報告指出。興建一座晶圓廠動輒數十億美元，晶片越小，成本越高。

 

 

 

 

個別三角形DNA摺紙附著在一片模版上，三角形外觀大小都一致。

 

IBM是使用DNA分子當作支撐鷹架，上百萬個奈米碳管附著於DNA分子上，自行排列組合成精準的圖案。這個方式或許可提供更經濟的方式，來達成22奈米 以下的微影技術(lithography)，甚至小至6奈米，根據九月份即將在Nature Nanotechnology刊出的這篇論文所表示，該論文是由IBM與加州理工學院科學家共同撰寫。

 

「此一方式是運用已經有固定位置的DNA奈米結構來當作支架，或稱微型電路板，如此便能精準做元件的組合，比如奈米碳管、奈米線，與奈米粒子等。」IBM表示，把這種自行組合結合現今的製造技術，必能讓最昂貴與最具挑戰的晶片製程省下許多成本，IBM表示。

 

IBM製造微影模版（晶片製造用）是採傳統半導體技術來刻出圖案，跟目前用來製造電腦晶片的方式一樣。

 

IBM研究員：摩爾定律氣數已盡

ZDNet新聞專區：Brooke Crothers 2009/04/13 12:43:02

摩爾定律(Moore's Law)已近強弩之末，這是電腦工業普遍的預測。IBM研究員更挑明了說：摩爾定律氣數已盡。

 

英特爾共同創辦人摩爾(Gordon Moore)在1965年預測，微處理器上的電晶體數目大約每兩年將增加一倍--此預言經過這些年來，大致都禁得起考驗。

 

不過，EE Times報導，IBM研究伺服器電腦設計的研究員Carl Anderson宣稱，摩爾定律的末日將至。

 

該報導引述Anderson的話說，各行各業呈爆炸性成長的時代終將告一段落，先是鐵路，後是航空業，如今連半導體產業也不例外。

 

他說：「爆炸性成長可能再延續個一、兩代，但這只是就最尖端的晶片而言，例如多核心微處理器。然而，大多數設計師發現，日常應用不需要用到最新的設計。」

 

Anderson在EE Times的報導中還指出，研究和晶圓廠的成本高得驚人，是阻撓技術持續突破的一大障礙，畢竟晶圓廠造價和維護費用動輒數十億美元，負擔得起的公司少之又少。

 

至於未來展望，Anderson認為有三種技術可望大幅躍進：光學連結(optical interconnects)、 3D晶片(電路和元件堆置在彼此之上)，以及採用加速器的處理技術( accelerator-based processing)。

 

加速器(accelerators)目前正熱門。除IBM之外，Nvidia、超微公司（AMD）旗下的ATI部門，也提供採用繪圖處理器的電腦，以加快 科學、工程和動畫應用程式的執行速度。英特爾今年底或明年初也可望推出Larrabee晶片，可當加速器使用。(唐慧文譯)

摩爾定律2014年達到極限？

ZDNet新聞專區：Brooke Crothers 2009/06/17 11:53:01

iSuppli預測，摩爾定律(Moore's Law)可能在2014年之前失效，而難以克服的最大挑戰不是體積無法再縮小，而是晶片製造的成本太高昂。

摩爾定律以英特爾共同創辦人葛登．摩爾(Gordon Moore)命名，大意是積體電路(IC)上可放置的電晶體數目，大約每兩年會加倍。四十多年來，晶片尺寸愈縮愈小，讓摩爾定律持續有效。

不過，iSuppli周二發表的研究報告預言，到2014年，摩爾定律將遭受半導體製造設備成本高昂的威脅，屆時「半導體產業的基本經濟狀況將為之改變」。

iSuppli半導體製造首席分析師Len Jelinek說：「隨著晶片製程縮到20奈米以下，降到18奈米，可用的半導體製程技術將達到極限。在那些節點(水準)，半導體產業將開始遭遇半導體製 造工具太昂貴、即使大量生產價格也降不下來的地步。換言之，成本會非常高，使得整個生命周期的生產價值也不敷成本。」

iSuppli說，縮小到20至18奈米之後，製程技術仍可能持續進步，但摩爾定律將不再能驅動半導體量產。目前英特爾正邁向32奈米製程，而全球晶圓代工龍頭台積電公司(TSMC)已過渡到40奈米晶片製程。

許多跡象顯示，晶片製造成本高昂已讓廠商備感壓力。例如，超微公司（AMD）面臨可能破產的壓力，終於決定將晶片生產業務分割出去。一些亞洲記憶晶片製造商也面臨生死存亡大關，因為他們無力投注巨資更新廠房設備。

以往觀察家也曾多次預言摩爾定律氣數已盡，但依據的最主要理由倒不是晶片設備成本高昂。

4月間EE Times一篇報導引述IBM研究員Carl Anderson的話說，各行各業呈爆炸性成長的時代終將告一段落，以前是鐵路，後是航空業，如今就連半導體產業也不例外。

Anderson說：「爆炸性成長可能再延續個一、兩代，但這只是就最尖端的晶片而言，例如多核心微處理器。然而，更多的設計師發現，日常應用不需要用到最新的設計。」

不過，在2014年來臨之前，半導體競賽仍持續進行。

AMD與Mubadala Development的合資公司Globalfoundries周二宣布，與IBM合作的研究發現，半導體元件的尺寸將能持續縮小，降到22奈米以下。 該公司說：「半導體業向來以克服看似難以克服的挑戰聞名，且能持續開發更小、更快、更具能源效率的產品。」

半導體巨人英特爾預定周四發表新的研究成果，展示該公司在晶片製造技術上最新的進展。(唐慧文譯)