從生成式AI大模型訓練，到高端游戲顯卡、智能手機終端，如今市場對芯片算力的需求呈指數級上漲。當你遇到AI服務器突然卡頓、掉幀、藍屏；玩手游時機身異常發熱、降頻；數據中心算力不穩定、任務出錯率上升……這些問題往往與芯片“供電不穩”相關。

5月29日，湖北日報全媒記者記者從湖北省科技廳獲悉，位于武漢的江城實驗室近日在應用于先進計算芯片的高密度片上電容關鍵技術上取得重大突破，成功研制氧化硅介質基三維多層通孔電容結構，并配套研發高精度自研仿真解析模型，一舉破解長期困擾全球高端芯片產業的供電難題，多項核心性能達到國際先進水平，為我國先進集成電路自主可控補上關鍵一環。

（湖北日報全媒記者 包東喜 文俊攝）

算力騰飛

芯片供電失衡成隱形短板

為匹配當下暴漲的算力需求，芯片廠商不斷提升晶體管集成數量，單顆AI訓練芯片、高端GPU晶體管規模突破數百億甚至上千億級別。但龐大的晶體管集群，也給芯片供電系統帶來前所未有的壓力。

江城實驗室主任楊道虹在接受湖北日報全媒記者專訪時表示，現代高端芯片負載切換速度達到納秒級別，瞬時電流波動極大，一旦供電系統無法快速補給電荷、平抑電壓波動，芯片就會出現電壓塌陷、過沖等故障，直接影響設備使用體驗。

“普通用戶其實每天都能直觀感受到供電短板帶來的負面影響?！睏畹篮缃忉尩溃娔X高負載運行時突發掉幀、藍屏，手機運行大型手游異常發熱、強制降頻；產業端的大型數據中心時常出現算力跳動、AI訓練任務報錯率攀升等問題，追根溯源，本質都是芯片供電不穩定。

江城實驗室主任楊道虹在工作中。（受訪單位供圖）

目前行業主流電容分為片外電容與片上平面電容兩類：片外電容遠離芯片計算核心，受線路電感制約，難以響應納秒級高頻電流變化；傳統平面片上電容受二維結構限制，電容密度普遍低于每平方毫米20納法，若想要滿足高端芯片供電需求，需要占用大量晶圓面積，大幅拉高芯片設計與制造成本。

“簡單來說，傳統電容要么‘反應慢’，要么‘占地大’，無法適配新時代高算力芯片的發展需求?！睏畹篮缈偨Y道，破解高端芯片供電難題，必須跳出平面電容的研發思維，從結構層面做出顛覆性創新。

百倍性能躍升

補齊我國高端芯片領域短板

過去，高密度片上電容主要依賴海外先進代工廠的專有工藝或IP。摒棄固有設計思路，楊道虹帶領團隊另辟蹊徑，創新研發三維多層同軸通孔電容結構，徹底顛覆傳統電容的設計邏輯與制備模式，讓平鋪的二維電容轉變為立體式三維電容，實現技術質的突破。

如果說傳統平面電容是一張薄紙，吸水能力有限；那么新型三維電容就像一個海綿，具有密集的微孔道巨大的內表面積。研發團隊依托成熟硅基工藝，在硅片內部刻蝕出微米級別的高深微孔，隨后利用專業設備，在微孔內壁分層交替沉積高介電常數介質材料與金屬電極，打造出無數微型同軸電容單元。

經多輪嚴苛測試，該三維片上電容密度突破每平方毫米1000納法，相較于市面上被稱為“電子工業大米”的商用積層陶瓷電容器，穩壓性能提升百倍以上，從行業橫向對比來看，該技術核心參數對標頭部科研機構和企業，綜合性能躋身全球第一梯隊。

先進封裝綜合實驗平臺上，江城實驗室工程師正在分析實驗數據。（受訪單位供圖）

團隊自主研發專屬解析模型，首次融入通孔同軸傳輸效應與高頻動態特性，將復雜的電磁仿真運算簡化為代數方程，計算效率提升數百倍，單次仿真僅需數分鐘，且最大誤差穩定控制在5%以內，既填補國內技術空白，也為行業提供高效低成本的全新設計方案。

“我們從材料、結構、模型到工藝全自主創新，讓國產高端芯片不再因為‘供電不穩’而受制于人?！?/strong>楊道虹自豪地說，此次江城實驗室技術突破，實現材料、結構、工藝、建模全鏈條自主可控，徹底打破海外工藝與IP壁壘，補齊我國高端芯片無源器件領域的短板。

從實驗室到商用

直擊全球百億級市場

隨著AI產業火爆，高端電容需求正在爆發式增長。據行業預測，僅全球高性能計算和AI芯片對先進片上電容的市場需求，未來五年復合年增長率超過30%。這是一個數十億甚至百億級別的潛在市場。

“我們正在開展工藝流片及小批量試產，有望1年內在3D封裝領域實現落地應用?！?/strong>楊道虹介紹，作為湖北省重點布局的高能級集成電路創新平臺，江城實驗室依托省級重大科技專項、關鍵核心技術攻關項目的專項資金支持，目前已完成核心模型搭建與中試驗證，正穩步推進商用落地。

研發中期，團隊曾遭遇電容高頻諧振異常問題，全員歷經多輪通宵復盤、拆解失效樣品，才鎖定問題根源，并優化工藝、修正模型。

“基礎研究中，這種從困惑到突破的過程，雖煎熬卻也是科研最寶貴的財富。”楊道虹表示，后續江城實驗室將持續聚焦芯片底層“卡脖子”技術，持續輸出原創性、引領性科研成果，助力湖北構筑集成電路產業發展高地，為我國集成電路產業高水平自立自強筑牢底層技術根基。

來源丨湖北日報

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