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【重磅报告】亟待开拓的半导体研究领域(三)

导读: 需要研究来为可扩展的异构体系结构中的新范例奠定基础,并与算法的意义共同设计,反之亦然。例如,图形处理器利用非均匀集成的基于加速器的架构,基于稀疏矩阵的图表指令集和随机化通信处理图形计算,这比冯·诺依曼架构更有效。

在前两天,我们发布了SIA关于半导体产业技术未来的展望前两部分《【重磅报告】亟待开拓的半导体研究领域(一)》和《【重磅报告】亟待开拓的半导体研究领域(二)》。今天我们将会发布此系列的最后一篇:

(八)生物影响的计算和存储

生物学和半导体科学与工程的融合是一个新的多学科领域,有潜力为信息处理系统的设计和制造提供转型进步。基于DNA合成和表征的突破,生物设计自动化、纳米制造以及对能效信息处理生物过程的理解,都将取得进展。利用这一新兴领域(有时称为半导体合成生物学)来实现下一代信息处理和存储是一个适宜的机会。

未来超低能量计算系统可能建立在源自化学、生物学和工程学交叉点的有机系统的原理之上。基于生物学原理和使用生物材料制造设备和组件的新信息技术的前景是可以预期的,预计使用该方法能够产生千倍于当今存储技术可提供的最大存储容量。这样的进步将使紧凑型高性能计算机的功耗比目前的计算机低一百万次。

潜在研究课题

(1)基于DNA的海量信息存储:

计算和存储期间的设备扩展和能耗已成为现代信息和通信技术的战略重要性问题。例如,核酸分子的信息存储密度比任何其他已知的存储技术高几个数量级。理论上说,一公斤的DNA具有2×1018 Mbit的存储容量,相当于2035年至2040年世界总储存量的总需求。最近DNA合成和测序的进展使得有可能实验探索生物应用以外的DNA存储。主要突破发生在2012 - 2016年期间,几个团体展示了基于DNA的信息存储与主流数字格式兼容。如果可以开发集成的DNA记忆技术,这类内存系统可能会广泛使用,而且特别适用于档案应用。

(2)节能、小规模、细胞启发式的信息和系统:

了解蜂窝信息处理的原理可以实现新一代的计算系统。生物计算中最有潜力的特征之一是极低的运行能量,接近热力学极限。从生物信息处理到未来的高功能,空间有限,数字和模拟半导体系统可以传递哪些教训,这些系统将高信息密度与极低的能耗结合起来?自然似乎已经成功地解决了亚微观设计挑战,并且可能会为将来的信息处理微系统提出新的解决方案。

合成生物学的进步开始为未来的半导体技术提出可能的途径。例如,有迹象表明,生物化学反应在能源效率下进行信号处理,这比未来的先进半导体纳米技术预计的要好几个数量级。

细胞半导体界面和混合半导体生物系统:混合生物半导体平台可以利用天然和合成生物过程和半导体技术。在这样的混合平台中,活细胞和组织可用作“生物前端”层,其中细胞的生物化学过程用作与外部环境的有机界面,并进行生物感测、驱动、信号处理、综合和能量收集。

与之平行的,底层半导体平台可以形成用于信息计算、控制、通信、存储和能量供应的“半导体后端”层。集成了生物感知功能、无机信息能量生成,以及能够使能各种新应用的计算能力的自供电的片上智能传感器系统。该系统可实现多种新应用。

例如,合成生物学的进步可以促进自供电智能传感器系统的发展,这种系统集成了生物传感功能和无机能量产生和计算能力,可以实现多种新型应用。示例应用包括快速、高通量的化学筛选,用于个性化药物的药物发现,诊断和治疗计划,检测用于防御和环境需要的化学和生物制剂,以及新型微观生物致动器或机器人。

混合电子生物系统的设计自动化:复杂的电子生物系统需要制定新的方法和设计原则。虽然特设合成生物学已经展示了许多令人印象深刻的概念验证电路,但是需要全面的计算机辅助设计工具来可靠地支撑更大和更复杂系统的设计,例如全细胞模型。

利用先进的电子设计自动化(EDA)工具和复杂设计的概念可以大大提高生物设计自动化(BDA)功能的复杂性。目前证明的是~104BDA等效“位”(例如,DNA碱基对)与?109 EDA“位”(例如芯片上的二进制开关)。该主题的范围包括理论基础,设计方法和标准,旨在开发用于转换和整合合成工件的新引擎,用于程序员交互的有效方法和包含多尺度过程的反馈以及自动程序综合工具来创建满足复杂生物电子系统规格的软件。

电子纳米制备和材料的生物学途径:生物分子,如DNA,RNA或蛋白质,可以为各种结构和形状的开发提供可编程机制。原则上,细胞以高产量和低能量损耗来制造惊人的复杂的新结构。生物装配以约1018分子/秒的组合速度发生(在生物生长速率下,1Gb芯片可以建立在约5秒钟内),并且能量约为10-17J /分子,这相当于传统的减法制造的1/100。

基于已经证明了的由DNA控制的日益复杂自组装结构,这些方法具有生产复杂的亚10nm半导体结构的潜力。此外,工程微生物可用于生产一系列重要的化学品和材料,用于具有理想化学组成和形态的半导体工艺。需要开发的方法是基于细菌、病毒等的新方法,被用于自组装、图案化、组织或修复有机聚合物、无机材料、生物聚合物材料、功能电路和/或电气部件。

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