“半导体合成生物学”加速半导体技术发展

透过结合生物学与电子学的两种不同电子流，可望为更精巧高效的处理器带来突破性进展。为了实现这项创造混合“生物-半导体”系统从而推动先进资通讯技术进展的目标，美国半导体研究机构Semiconductor Research Corp. (SRC)日前于北卡罗莱纳州三角研究园(Research Triangle Park)发布一项名为“半导体合成生物学”(Semiconductor Synthetic Biology;SemiSynBio或SSB)的计划。

这项计划将由SRC旗下三大研究计划之一的Global Research Collaboration (GRC)赞助，在最初的阶段将为美国多所大学的研究人员们提供三年225万美元的研究基金。参与该计划的几所大学包括麻省理工学院(MIT)、耶鲁大学(Yale University)、乔治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)、杨百翰大学(Brigham Young University)、麻州大学(University of Massachusetts)以及华盛顿大学(University of Washington)。

“SemiSynBio计划将促成电子学与生物化学的结合，”MIT教授Rahul Sarpeshkar表示：“半导体是有关电子在线路中的长程运动，而生物化学则涉及化学反应中电子在分子间的短程运动。所以当半导体技术进展至完全微缩后，业界就必须处理化学相关问题，而这正是活性细胞最能发挥效用之处。”

该计划的目标将探索分子级附属芯片制造过程，采用来自生物学的技术实现次纳米级设计特色。例如，DNA将作为引导纳米级芯片特性进行自组装的模板材料──这也是目前所用的替代方案。透过以DNA编码纳米级材料，使其可自动移植到程式码匹配的区域。该计划预计在2024年底时就能用以大幅改善芯片良率，显着降低缺陷以实现更先进的芯片。

5nm线宽的导电金属半导体互连可使用DNA模板引导其自组装。

“目前在定向自组装方面已有一些相关研究了，使用大量的分子即可建立模式，但使用DNA则是一种更先进复杂的方式，”SRC执行副总裁Steve Hillenius指出。

该研究的第二个领域是所谓的“细胞形态(cytomorphic)-半导体电路设计”，包括近期对于细胞生物学的了解，以及新式的超低功耗微芯片架构等。从活细胞中化学电路与资讯处理技术的极高能效作业中获得启示，将有助于建立创新的cytomorphic电路，以新的生物启发途径创建更高效率、混合讯号、类比/数位电路设计。

“这项计划的主要目标之一在于打造出能耗较目前更低100-1,000倍的处理器，”SRC GRC跨学科研究总监Victor Zhimov表示 。

生物-电子感测器

研究的第三个领域将探索新的生物电子感测器、致动器，以及整合生物材料的来源，包括重新设计使其整合至CMOS芯片的活细胞，以制作出具有更高灵敏度与低功耗作业的混合生物半导体。

利用活细胞可实现更灵敏与更低功耗的生物-电子感测器。

“在这方面，我们的目标是将活细胞整合于半导体芯片上，使其得以相互搭配运作──让活细胞的作用像电脑一样”，Zhimov说，“细胞是已经像是强大的电脑了，但仅用于实现各自目标，我们的变化将改变其 DNA 使其得以为我们进行运算，以及作为连至外部电路的双向通讯链路。”

截至目前为止， SRC将为SemiSynBio计划提供所有的资金，但Hillenius表示也将取得其他资金来源，如美国国家科学基金会(NSF)。