半導體奇思：芯片中“複制”人腦｜技術前沿
導讀
《知識分子》每周有一個專欄，專門遴選介紹面向人類認知前沿的有趣的科學進展。《賽先生》在持續梳理了20期技術前沿資訊以後，覺得讀者也許對未來改變生活的技術前沿資訊也感興趣，這是我們刊發的第三期内容，歡迎您閱後對技術前沿資訊專欄提出寶貴建議。
專欄前期精彩：
老藥新用：靶向藥物幫助70%小鼠消除胰腺癌｜技術前沿
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01
二氧化碳實驗室合成澱粉：速率達農業生産8.5倍
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澱粉是人類飲食中最常見的碳水化合物，亦被廣泛應用于造紙等工業生産中。自然界中，澱粉主要由玉米、土豆等植物經光合作用合成，曆經60餘個生物化學反應，不僅占用大量耕地，能源轉化效率亦不足2%。如何更高效地産出澱粉供給日益增長的全球人口，是可持續發展道路上的一個重要問題。
近日，中科院天津工業生物技術研究所馬延和團隊，利用人工設計的重組酶系統，構建了一條僅需11步化學反應的二氧化碳至澱粉人工合成路徑。實驗結果顯示，該方法合成澱粉的速率達到了自然界中的8.5倍，按當前參數計算，1立方米大小的生物反應器，便可以實現我國五畝玉米地的年産量。
不過，多位科學家在為這一技術突破感到欣喜的同時，也提醒該成果仍處于實驗室階段，高昂的生産費用、較高的能源要求都将是其量産道路上必須解決的阻礙。
該論文已發表于最新一期《科學》（）。
02
推出全新芯片設計自動化工具：效率提升10倍
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電子設計自動化（EDA）軟件可以輔助工程師高效、嚴謹地完成超大規模集成電路設計，是現代芯片工業中不可或缺的一部分。
近日，全球EDA三大巨頭之一的楷登電子（）宣布，推出一款完全基于機器學習的芯片設計自動化工具。通過增強學習模型，該軟件可以快速找到工程師可能不會主動嘗試的解決方案，并累積團隊知識與經驗，不斷優化設計效率。
在5nm制程手機CPU設計任務中，相比人工設計，應用該軟件效率提升高達10倍，且功耗、性能和面積（PPA）結果改善20%。根據三星晶圓廠等首批試用客戶的反映，該軟件在多項現實任務中也已立下大功，如幾天内實現人工幾個月的模塊功耗減少等。
03
中美聯合團隊設計全球最小飛行器：比拟圓珠筆尖
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近年來，微型飛行器在軍事偵察、病菌檢測、污染監察等領域有着迫切需求，然而其小型化進程卻似乎達到了瓶頸。目前市場上主流的電子飛行器均為主動驅動，由于機械部件本身的複雜性，很難在保證較長飛行時間的同時進一步縮小尺寸。
為解決該問題，美國西北大學與中國清華大學等多家機構組成的聯合團隊，提出了由自然風驅動的被動微型飛行器思路。受植物種子的空氣動力學特性啟發芯片合成，該團隊設計出了多款能在空氣中可控旋轉的飛行器3D結構，并将傳感器、電源、無線通信天線等部件以超小化技術集成其中，其中最小的寬度不過0.5毫米。
在實驗中，科研人員發現，它們設計的飛行器甚至比種子具有更穩定的軌迹、更慢的下落速度，在環保等應用場景中大有可為。與此同時，為避免飛行器本身造成的污染問題，該團隊還開發出一種瞬态電子器件芯片合成，使其能夠在使用結束後于水中無害化溶解。
該研究已發表于最新一期《自然》（）封面。
04
全民發電：使用壽命達30年的太陽能電池窗
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太陽能是當前人類可及的最廉價能源之一，然而厚重的矽基太陽能闆往往隻能被集中安置于遠離用電核心區的郊野地帶，受維護成本與地理環境限制，進一步擴張困難重重。
為解決這一問題，密歇根大學某團隊将目光投向了無處不在、且能夠垂直疊加的窗戶。通過向富勒烯受體構成的太陽能電池窗上鍍加一層氧化鋅（ZnO）保護罩，及碳基緩沖層，科研人員成果研制出了一款透明度40%、光電轉換效率10%，且在等同30年紫外線照射強度下保持80%性能的太陽能電池窗，打破了半透明有機太陽能電池的多項記錄。
研究人員表示，未來他們有信心進一步将該太陽能窗透明度提升至60%。據他們估算，如果該電池窗能覆蓋美國70億平方米左右的玻璃表面，它将可以滿足全美40%的能源需求，使幾乎每幢建築變為發電廠。
該研究已發表于最新一期《自然·通訊》（ ）。
05
“複制”人類大腦于芯片：三星聯合哈佛公布新研究
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上世紀八十年代以來，科學家們便曾設想在芯片上模拟人類大腦神經網絡結構與功能，實現高效任務處理。然而，由于我們對人類大腦這一複雜器官的知識有限，該目标始終未得到推進。
近日，三星集團與哈佛大學組成的聯合團隊提出一種全新思路，即借由高度敏感的納米電極陣列，記錄大腦神經元間電流信号，獲得并拷貝人類大腦神經網絡聯結圖，再将存儲芯片間傳導性按神經元鍊接強度進行編程，将該“神經網絡聯結圖”粘貼于半導體上。
面臨虛拟神經元帶來的存儲技術極限挑戰，研究負責人之一、哈佛大學應用物理學教授鹹燉憙認為，在這一宏偉的設想中，他們的産研聯合團隊将同時推進機器智能、神經科學和半導體技術的邊界。
該研究計劃已發表于最新一期《自然·電子》（ ）。
參考文獻：
[1] Cai Tao et al, Cell-free from , (2021). DOI: 10.1126/.
[2]
[3] Kim, B.H., Li, K., Kim, JT. et al. Three- by wind- seeds. 597, 503–510 (2021).
[4] Li, Y., Huang, X., Ding, K. et al. Non- with over 30 years. Nat 12, 5419 (2021).
[5] Ham, D., Park, H., Hwang, S. et al. based on and the brain. Nat 4, 635–644 (2021).
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