跻身全球第一梯队！江城实验室破解高端芯片供电难题

从生成式AI大模型训练，到高端游戏显卡、智能手机终端，如今市场对芯片算力的需求呈指数级上涨。当你遇到AI服务器突然卡顿、掉帧、蓝屏；玩手游时机身异常发热、降频；数据中心算力不稳定、任务出错率上升……这些问题往往与芯片“供电不稳”相关。

5月29日，湖北日报全媒记者记者从湖北省科技厅获悉，位于武汉的江城实验室近日在应用于先进计算芯片的高密度片上电容关键技术上取得重大突破，成功研制氧化硅介质基三维多层通孔电容结构，并配套研发高精度自研仿真解析模型，一举破解长期困扰全球高端芯片产业的供电难题，多项核心性能达到国际先进水平，为我国先进集成电路自主可控补上关键一环。

（湖北日报全媒记者 包东喜 文俊摄）

算力腾飞

芯片供电失衡成隐形短板

为匹配当下暴涨的算力需求，芯片厂商不断提升晶体管集成数量，单颗AI训练芯片、高端GPU晶体管规模突破数百亿甚至上千亿级别。但庞大的晶体管集群，也给芯片供电系统带来前所未有的压力。

江城实验室主任杨道虹在接受湖北日报全媒记者专访时表示，现代高端芯片负载切换速度达到纳秒级别，瞬时电流波动极大，一旦供电系统无法快速补给电荷、平抑电压波动，芯片就会出现电压塌陷、过冲等故障，直接影响设备使用体验。

“普通用户其实每天都能直观感受到供电短板带来的负面影响。”杨道虹解释道，电脑高负载运行时突发掉帧、蓝屏，手机运行大型手游异常发热、强制降频；产业端的大型数据中心时常出现算力跳动、AI训练任务报错率攀升等问题，追根溯源，本质都是芯片供电不稳定。

江城实验室主任杨道虹在工作中。（受访单位供图）

目前行业主流电容分为片外电容与片上平面电容两类：片外电容远离芯片计算核心，受线路电感制约，难以响应纳秒级高频电流变化；传统平面片上电容受二维结构限制，电容密度普遍低于每平方毫米20纳法，若想要满足高端芯片供电需求，需要占用大量晶圆面积，大幅拉高芯片设计与制造成本。

“简单来说，传统电容要么‘反应慢’，要么‘占地大’，无法适配新时代高算力芯片的发展需求。”杨道虹总结道，破解高端芯片供电难题，必须跳出平面电容的研发思维，从结构层面做出颠覆性创新。

百倍性能跃升

补齐我国高端芯片领域短板

过去，高密度片上电容主要依赖海外先进代工厂的专有工艺或IP。摒弃固有设计思路，杨道虹带领团队另辟蹊径，创新研发三维多层同轴通孔电容结构，彻底颠覆传统电容的设计逻辑与制备模式，让平铺的二维电容转变为立体式三维电容，实现技术质的突破。

如果说传统平面电容是一张薄纸，吸水能力有限；那么新型三维电容就像一个海绵，具有密集的微孔道巨大的内表面积。研发团队依托成熟硅基工艺，在硅片内部刻蚀出微米级别的高深微孔，随后利用专业设备，在微孔内壁分层交替沉积高介电常数介质材料与金属电极，打造出无数微型同轴电容单元。

经多轮严苛测试，该三维片上电容密度突破每平方毫米1000纳法，相较于市面上被称为“电子工业大米”的商用积层陶瓷电容器，稳压性能提升百倍以上，从行业横向对比来看，该技术核心参数对标头部科研机构和企业，综合性能跻身全球第一梯队。

先进封装综合实验平台上，江城实验室工程师正在分析实验数据。（受访单位供图）

团队自主研发专属解析模型，首次融入通孔同轴传输效应与高频动态特性，将复杂的电磁仿真运算简化为代数方程，计算效率提升数百倍，单次仿真仅需数分钟，且最大误差稳定控制在5%以内，既填补国内技术空白，也为行业提供高效低成本的全新设计方案。

“我们从材料、结构、模型到工艺全自主创新，让国产高端芯片不再因为‘供电不稳’而受制于人。”杨道虹自豪地说，此次江城实验室技术突破，实现材料、结构、工艺、建模全链条自主可控，彻底打破海外工艺与IP壁垒，补齐我国高端芯片无源器件领域的短板。

从实验室到商用

直击全球百亿级市场

随着AI产业火爆，高端电容需求正在爆发式增长。据行业预测，仅全球高性能计算和AI芯片对先进片上电容的市场需求，未来五年复合年增长率超过30%。这是一个数十亿甚至百亿级别的潜在市场。

“我们正在开展工艺流片及小批量试产，有望1年内在3D封装领域实现落地应用。”杨道虹介绍，作为湖北省重点布局的高能级集成电路创新平台，江城实验室依托省级重大科技专项、关键核心技术攻关项目的专项资金支持，目前已完成核心模型搭建与中试验证，正稳步推进商用落地。

研发中期，团队曾遭遇电容高频谐振异常问题，全员历经多轮通宵复盘、拆解失效样品，才锁定问题根源，并优化工艺、修正模型。

“基础研究中，这种从困惑到突破的过程，虽煎熬却也是科研最宝贵的财富。”杨道虹表示，后续江城实验室将持续聚焦芯片底层“卡脖子”技术，持续输出原创性、引领性科研成果，助力湖北构筑集成电路产业发展高地，为我国集成电路产业高水平自立自强筑牢底层技术根基。

来源丨湖北日报

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