能源部（Department of Energy）正在下一代微电子领域进行投资，以抑制能源需求的飙升。
SLAC和其他顶尖机构正在开发创新材料、人工智能传感技术和类脑计算，以将效率提升到新的水平。
驱动未来：微电子的能源需求
微电子为计算机、医疗设备和推动现代技术和科学发现的尖端仪器提供动力。然而，这些进步伴随着日益增长的能源需求。人工智能的融入进一步加速了能源消耗，这引发了人们对当前趋势不可持续的担忧。
为了应对这一挑战，美国能源部（Department of Energy）将向三个微电子科学研究中心投资1.79亿美元。这些中心将汇聚来自多所机构和多个学科的研究人员，与产业合作伙伴携手合作，开发能效更高的微电子器件，使其能在极端环境下稳定工作。
SLAC 在尖端微电子研究领域的领导地位
美国能源部（Department of Energy）的SLAC国家加速器实验室（SLAC National Accelerator Laboratory）将在该计划中发挥主导作用，领导微电子能效研究中心先进技术（Microelectronics Energy Efficiency Research Center for Advanced Technologies，MEERCAT）内的两个项目。此外，SLAC还将与极紫外光刻和材料创新中心（Extreme Lithography & Materials Innovation Center，ELMIC）以及极端环境下微电子的协同设计与异构集成（Co-design & Heterogeneous Integration for Microelectronics in Extreme Environments，CHIME）中心合作开展研究。
“微电子领域的进步对推动科学发现至关重要，”能源部科学办公室科学项目副主任哈里特·孔（Harriet Kung）说道。“这些研究中心带来的创新将改善我们的日常生活，推动美国在科学技术领域保持领先地位。”
为能效而重新构想微电子学
现有的缩小设备的方法正接近其极限，因此研究人员必须为微电子领域找到一种新方法，在要求更强的计算能力和处理更多数据的同时，还能降低能耗。为了解决这些挑战，MEERCAT 准备创新微电子领域新材料、新器件和新系统架构的设计与发现，以突破当前计算和传感能力的极限，这对能源部（Department of Energy）的科学使命而言至关重要。
该中心将主办“推动变革性能效微电子科学（ESTEEM）”项目，该项目由斯坦福同步辐射光源实验室（Stanford Synchrotron Radiation Lightsource）副主任、SLAC国家加速器实验室（SLAC）助理主任保罗·麦金太尔（Paul McIntyre）领导，合作方包括斯坦福大学、佐治亚理工学院、西北大学、田纳西大学诺克斯维尔分校和德克萨斯大学圣安东尼奥分校。该团队将专注于推进能效微电子的制造、计量、设计和模拟新方法，包括纳米结构材料、新器件架构以及软硬件集成的发现。
受人类大脑启发：一种全新的计算方法
麦金太尔表示，为了达到这一目标，研究人员正在“通过新的制造方法寻找垂直堆叠设备的方法”，并从人类大脑中汲取灵感。例如，该团队将不会致力于改进当前通过连接逻辑芯片和存储芯片的相对较长的线路来来回回传输数据的计算机硬件配置，而是会将多种功能集成到同一组件或设备中。
麦金太尔说：“与硅基计算机相比，大脑是一个能效非常高的系统。”
实施这些想法需要一种“从原子到算法的策略”，以在广泛的距离和时间尺度上控制物理过程，并将这些过程映射到软件中。为了优化这些工作，该团队将同时致力于所有这些领域的研究，这种方法被称为协同设计。SLAC将其世界领先的X射线和超快仪器以及低温电子显微镜应用于这一挑战，并将材料科学和器件设计方面的专业知识应用于此。
应对数据洪流：更智能的传感系统
能源部国家实验室中最先进的仪器能够加速科学发现，并以极快的速度生成海量数据。传统的先保存数据再在计算机上分析的方法将不再适用，因此，研究人员正在重新构想传感系统（检测并测量环境现象的传感器网络）数据采集和分析过程的许多方面，以实时提取有用信息。
“自适应超快速节能智能传感技术”（AUREIS）项目也是“meerCAT”的一部分，该项目由SLAC技术创新局副实验室主任安杰洛·德拉戈内领导，将侧重于重新设计传感系统，以便尽可能在接近传感器的地方智能处理和分析原始数据，从而减少传输到计算机的数据量。通过协同设计，该团队（由SLAC的研究人员和来自其他六所国家实验室和大学的合作者组成）将探索新材料、计算架构、人工智能和机器学习算法以及制造工艺，以开发自适应、超快速、智能和节能的传感技术。
“我们在实验室开发X射线科学和高能物理探测器方面拥有长期的专业知识和能力，”德拉戈内说。“同时，我们利用人工智能和机器学习来支持复杂的工作流程和边缘计算。”SLAC国家加速器实验室与合作伙伴机构之间的AUREIS团队将能够使用世界一流的设施来设计、制造和表征传感器和电路，例如斯坦福纳米制造设施和斯坦福纳米共享设施；SLAC科学数据共享设施；以及SLAC仪器部门的设计、组装和测试设施。
此项目的其他合作伙伴包括来自阿贡国家实验室、布鲁克海文国家实验室、费米国家加速器实验室（Fermilab）、劳伦斯伯克利国家实验室、劳伦斯利弗莫尔国家实验室、斯坦福大学、夏威夷大学马诺阿分校以及通用电气医疗集团（GE Vernova）的研究人员。
针对极端环境下的微电子
制造和操作微电子器件可能会涉及极冷、高辐射和高磁场环境。SLAC在用于高能物理实验、量子传感和超快X射线科学的科学仪器方面的工作，使其在半导体、微电子电路和系统于极端环境下工作的设计方面拥有独特专长。
ELMIC的目标是整合用于未来微电子的新材料和工艺，其重点领域包括基于等离子体的纳米制造、极紫外（EUV）光源以及仅由几个原子或分子厚度构成的新材料系统（即二维材料）。
SLAC高能量密度科学部门主任西格弗里德·格伦泽将参与劳伦斯利弗莫尔国家实验室牵头的“用于极紫外光刻和等离子体科学的高转换效率2微米（μm）激光驱动光源”项目。为了让芯片制造过程更加节能，该团队正在研究一种能发出极紫外光的新型等离子体光源。该项目将利用SLAC在靶系统方面的先进技术（有助于实现校准和测量）及其在激光-等离子体相互作用方面的专业知识。
CHIME的使命：推动下一代技术的发展
同时，CHIME 将把从原子尺度到完全集成仪器（用于应对严苛环境）的各种优化和推进下一代技术的项目汇聚在一起。
在加拿大粒子天体物理研究所（CHIME）内，技术创新局（Technology Innovation Directorate）的科学家洛伦佐·罗塔（Lorenzo Rota）正参与费米实验室（Fermilab）牵头的“低温电子集成单光子探测器”（SPICE）项目，该项目旨在开发用于探测基本粒子的先进设备，以揭示宇宙的运作机制。为推进这些尖端实验，SPICE团队将专注于在极低温度下运行的新材料、传感器和电路的协同设计与集成。该项目将借鉴SLAC在设计这些探测器中的关键部件（即图像传感器）以及设计和开发用于科学探索的X射线探测器方面的丰富经验。
引领微电子研究的未来
实验室主任约翰·萨拉奥表示：“能源部各中心通过推动基础研究来开发新型先进的微电子技术，以满足我们日益增长的能源需求。我们非常感激能借此机会通过这种创新的协同设计方法，与微电子生态系统中的合作伙伴开展合作。”
微电子科学研究中心由美国能源部科学办公室资助。SSRL和LCLS是美国能源部科学办公室的用户设施。
