試圖理解單個計算機芯片的所有復雜組件可能會令人眼花繚亂：通過銅線高速公路相互連接的多層微觀組件，其中一些僅比幾股DNA寬。這些電線之間有一種稱為電介質的絕緣材料，可確保電線不會接觸和短路。進一步放大，我們可以看到芯片與其下方的結構之間放置一種特殊的電介質；這種材料被稱為介電薄膜，其厚度與白細胞一樣薄。
競爭對手一直在努力超越他們，如今味之素擁有該產品 90% 以上的市場份額，該產品廣泛應用於從筆記本電腦到數據中心的各個領域。
但現在，一傢位於加利福尼亞州伯克利的初創公司正在采取艱巨的努力，推翻味之素，並將芯片制造供應鏈的這一小部分帶回美國。
Thintronics 承諾推出一款專為人工智能時代的計算需求而打造的產品，該公司聲稱這是一套新材料，具有更高的絕緣性能，如果采用，可能意味著數據中心擁有更快的計算速度和更低的能源成本。
在價值 2800 億美元的《芯片和科學法案》的推動下，該公司處於即將到來的美國新公司浪潮的最前沿，該法案正在尋求在半導體行業中分一杯羹，而該行業目前已由少數國際公司主導。但要想取得成功，Thintronics 及其同行必須克服一系列挑戰——解決技術問題、破壞長期的行業關系以及說服全球半導體巨頭接納新的供應商。
Thintronics 創始人兼首席執行官 Stefan Pastine 表示：“發明新材料平臺並將其推向世界非常困難。”它“不適合膽小的人”。
ABF的故事
如果您認識 Ajinomoto 這個名字，您可能會驚訝地發現它在芯片領域發揮著關鍵作用：該公司更為人所知的是全球領先的味精調味粉供應商。20 世紀 90 年代，味之素發現味精的副產品可以制成很好的絕緣體，從那時起，味之素就在這一利基材料領域享有近乎壟斷的地位。
據味之素介紹，ABF的故事始於1970年代，在1990年代後期首次在個人計算機中得到采用，並且隨著CPU性能的提高而發展到今天。
隨著從MS-DOS到Windows操作系統的轉變，用於個人計算機的CPU的大規模集成的興起以及終端的數量從早期的約1990個增加到上千個，對高級CPU基板的需求在40年代迅速增長。或更多。這導致從“引線框”配置轉變為安裝在包含復雜佈線圖案的多層電路基板上的CPU，從而迫切需要新的絕緣材料。
味之素集團從1970年代開始就將氨基酸化學應用於環氧樹脂及其復合材料的基礎研究。最終導致開發用於CPU基板的高級絕緣子。作為該領域的後來者，味之素集團對薄膜的關註使公司的產品與傳統的墨水型絕緣子脫穎而出，並形成一種材料，該材料解決在高性能CPU中使用傳統的絕緣子帶來的重大問題。當ABF可供制造商使用時，它滿足快速增長的全球需求。
味之素表示，實現ABF研發的R＆D的基本目標是找到一種樹脂組合物，該組合物將決定絕緣材料的性能，提供電氣材料的必要功能並促進成膜。味之素集團在精細化學方面的專長被用於開發將有機環氧樹脂，硬化劑和無機微粒填料結合在一起的配方。主要挑戰包括開發一種方法，以使有機和無機物質均勻混合，從而固有地抵抗均勻分散，並提供優異的絕緣性能和優異的加工特性。
為應對這些挑戰，研發團隊創造一種具有高耐用性，低熱膨脹性，易於加工和其他重要特征的熱固性薄膜。該膜名為ABF，該膜於1999年被一傢主要的半導體制造商首次采用。此後，它已成為幾乎所有高性能CPU的首選產品，並得到不斷發展的R＆D的支持，以滿足快速發展帶來的需求在電路集成中。也就是從那時候起，ABF 就一直引領市場。
電路集成的進步使由納米級電子電路組成的CPU成為可能。這些電路必須連接到電子設備和系統中的毫米級電子組件。這可以通過使用由多層微電路組成的CPU“床”來完成，稱為“堆積基板”。ABF有助於形成這些微米級電路，因為它的表面可以接受激光加工和直接鍍銅。如今，ABF是形成電路的重要材料，該電路可將電子從納米級CPU端子引導到印刷基板上的毫米級端子。
味之素表示，隨著CPU性能的快速提升，ABF的質量也在不斷提高。這就要求不斷研發具有不同性能的絕緣樹脂，改進產品特性，滿足新興客戶要求的加工技術以及反復進行測試和驗證。
實現發熱的CPU環境所需的熱穩定性，優化電路形成必不可少的電鍍工藝以及促進激光加工隻是需要專門知識和專業知識的眾多挑戰中的幾個。隨著CPU的發展和多樣化，這些技能對於生產滿足客戶要求的基於ABF的最佳電路基板至關重要。
絕緣體瓶頸
但MIT科技評論在一篇文章中表示，味之素不生產芯片中的任何其他部件。事實上，芯片中的絕緣材料依賴於分散的供應鏈：一層使用味之素的材料，另一層使用另一傢公司的材料，依此類推，沒有一個層針對協同工作進行優化。當數據通過短路徑傳輸時，最終的系統可以正常工作，但在較長的距離（例如芯片之間）上，薄弱的絕緣體會成為瓶頸，浪費能源並降低計算速度。
最近，這一問題越來越引起人們的關註，特別是隨著人工智能訓練的規模變得越來越昂貴，並且消耗的能源數量令人瞠目結舌。而且，一些問題也開始凸顯。
這些對Pastine來說都沒有多大意義，作為一名化學傢，他於 2019 年將自己以前的公司（專門回收硬塑料）賣給一傢工業化學品公司。大約在那個時候，他開始相信化學品行業的創新可能會很緩慢，他認為同樣的模式阻礙芯片制造商尋找更好的絕緣材料。他說，在芯片行業，絕緣體“有點被視為紅發繼子（redheaded stepchild）”——他們還沒有看到晶體管和其他芯片元件取得的進展。
同年，他推出 Thintronics，希望破解更好的絕緣體上的代碼能夠以更低的成本為數據中心提供更快的計算速度。這個想法並不是開創性的——新的絕緣體正在不斷被研究和部署——但帕斯廷相信他可以找到合適的化學物質來實現突破。
Thintronics 表示，它將為芯片的所有層制造不同的絕緣體，用於設計用於更換現有生產線的系統。Pastine表示，這些材料目前正在由許多行業參與者進行測試。但他以保密協議為由拒絕提供姓名，同樣也不願透露公式的細節。
如果沒有更多細節，很難確切地說 Thintronics 材料與競爭產品相比效果如何。該公司最近測試其材料的 Dk 值，該值是衡量材料絕緣體有效性的指標。Venky Sundaram 是一位研究人員，他創立多傢半導體初創公司，但沒有參與 Thintronics，他對研究結果進行審查。他說，與其他堆積薄膜（Thintronics 競爭的介電類別）相比，它們最令人印象深刻的 Dk 值比當今可用的任何其他材料都要好。
崎嶇不平的道路
Thintronics 的願景已經獲得一些支持。該公司於 3 月份獲得由風險投資公司 Translink 和 Maverick 領投的 2000 萬美元 A 輪融資，以及美國國傢科學基金會的資助。
該公司還在尋求 CHIPS 法案的資金。該法案由喬·拜登總統於 2022 年簽署成為法律，旨在促進 Thintronics 等公司的發展，以便將半導體制造帶回美國公司並減少對外國供應商的依賴。該法案成為法律一年後，政府表示已有 450 多傢公司提交意向書，希望獲得 CHIPS 資金來開展整個行業的工作。
該立法的大部分資金將用於大型制造設施，例如英特爾在新墨西哥州和臺積電在亞利桑那州運營的工廠。但美國商務部長吉娜·雷蒙多表示，她希望看到規模較小的公司也能獲得資金，特別是在材料領域。2 月份，專門用於材料創新的 3 億美元資金申請開放。雖然 Thintronics 拒絕透露正在尋求多少資金或從哪些項目尋求資金，但該公司確實將 CHIPS 法案視為主要推動力。
但建立島內芯片供應鏈（該產品目前依賴全球數十傢公司）將意味著扭轉不同國傢數十年的專業化趨勢。行業專傢表示，挑戰當今占主導地位的絕緣體供應商將很困難，他們常常不得不適應新的競爭。
“二十多年來，味之素一直是一種占據 90% 以上市場份額的材料，”Sundaram 說。“這在大多數企業中都是聞所未聞的，你可以想象他們是不會因為不改變而實現這一目標的。”
一項重大挑戰是，占主導地位的制造商與 NVIDIA 或 Advanced Micro Devices 等芯片設計商以及臺積電等制造商有著長達數十年的合作關系。讓這些玩傢換掉材料，可是一件大事。
“半導體行業非常保守，”在電介質行業工作超過 25 年的半導體研究員 Larry Zhu 說道。“他們喜歡使用他們已經非常解的供應商，他們知道這些供應商的質量。”
Thintronics 面臨的另一個障礙是技術方面的：絕緣材料與其他芯片元件一樣，都遵循非常精確的制造標準，以至於難以理解。味之素占主導地位的層比人的頭發還薄。該材料還必須能夠容納小孔，其中容納垂直穿過薄膜的電線。Sundaram 表示，每一次新的迭代都是一項大規模的研發工作，現有公司憑借多年的經驗在這方面占據上風。
如果這一切都在實驗室中成功完成，那麼還會面臨另一個障礙：材料必須在大批量生產設施中保留這些特性，而這正是 Sundaram 過去的努力失敗的地方。
“多年來，我曾為幾傢試圖闖入[味之素]業務但未能成功的材料供應商提供咨詢，”他說。“它們最終都遇到在大批量生產線上不那麼容易使用的問題。”
盡管面臨所有這些挑戰，但有一點可能對 Thintronics 有利：微軟和Meta等美國科技巨頭在設計自己的芯片方面首次取得進展。該計劃是將這些芯片用於內部人工智能培訓以及出租給客戶的雲計算能力，這兩者都將減少該行業對英偉達的依賴。
盡管微軟、Google和 Meta 拒絕評論他們是否正在追求絕緣體等材料的進步，但 Sundaram 表示，這些公司可能更願意與新的美國初創公司合作，而不是默認制造芯片的舊方法：“他們有與現有的大公司相比，他們對供應鏈的態度更加開放。”