过渡信号线

过渡态(transition state)理论是每个化学同仁都非常熟悉的基本概念，这也是化学教科书上的经典内容。它是化学反应动力学中的核心概念。但是一直以来，对于过渡态的实验测量似乎很难实现，以致于其概念主要还停留在理论阶段。　　不过近期在《Science》上发表的一篇文章可能会改变这一现状。以麻省理工学院化学系的物理化学大牛Robert Field教授为首的一个研究团队，开发出了一种新技术，可以利用分子振动光谱的测量数据来得到分子反应过渡态的瞬时却又清晰的图像。它可以精确地测量分子从一种形式到另一种形式转变时瞬间的能量状态，而使科学家们发现神秘的化学反应中间体那些前所未见的细节。　　“这是一个重大突破，让我们能更好地了解化学变化是如何发生的。”斯坦福大学的另一大牛化学家Richard Zare说。　　在化学反应过程中，分子经过一个高能量不稳定的过渡态并迅速变成其最终的产物形式。“过渡态一直被认为是一种并不真正存在的东西，”科罗拉多州大学的Josh Baraban说，他是该文的第一作者。不过，现在Baraban和其同事们的实验证明了这个状态肯定是存在的。　　该团队的研究人员在实验中使用了简单的乙炔分子。这个分子由两个碳原子构成，在两侧各有一个氢原子，该分子可以由一个U形的顺式结构变形到反式结构。这种类型的形状转移反应被称为异构化，是非常普遍的化学过程，眼球中感应光的蛋白结构变化以及汽油的制造过程都涉及这一过程。　　对于这些反应来说，过渡态的位置都在一个能量的峰顶上。并且这个“山坡”的陡峭程度决定了反应的速率。“这就像在反应物和产物之间有一个山脉，而过渡态就是反应的必经路径，”Baraban说。“这是从反应物到产物之间相对最容易的路径。”　　但研究这些分子的过渡态却没那么容易，Robert Field说。当这些分子“爬”能量的“山坡”时，它们的能量分布(energy profile)变得非常复杂，以致于大多数科学家并不想费力去研究，他说。　　为了达到观察过渡态分子的目的，Baraban和他的同事小心地利用激光来泵浦能量到喷流状态的乙炔分子上。同时，该实验小组利用激光光谱技术来监测这些分子的振动和转动状态变化。当分子吸收能量达到一定程度，其振动光谱的模式出现转折，这种转折的特点是出乎意料的低振动频率，这是关键的过渡态特征标记，Field说。“当你跨过屏障时，在最高处，你基本上是停止的。”　　该研究小组发现，在过渡态下，这些新的振动模式反映了该分子的形状变化时的结构扭曲。对过渡态的完整描述，包括有关分子的能量、结构和运动信息，都和理论预测相符。但之前“从来没有一个独立的方法来研究这个问题，”Baraban说。　　由于过渡态是“控制一切过程”的要素，这种研究它的新方法可能提供有关化学反应如何进行的更多信息，耶鲁大学的物理化学家Patrick Vaccaro说。任何揭示过渡态详细信息的新方法都可能“影响我们对化学的基本理解，”他说。

近日，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院理论与计算化学研究组副研究员宋宏伟与美国加利福尼亚大学伯克利分校教授Daniel M. Neumark团队、美国新墨西哥大学教授郭华合作，结合慢光电子速度成像光谱实验和量子动力学理论，获得了多原子分子反应过渡态区域目前最为完整的图像，对于剖析多原子分子反应的反应机理具有重要意义。 　　化学反应过渡态决定化学反应的基本特性。对于多数化学反应，反应过渡态的寿命非常短，实验观测非常困难，因此，直接观测反应过渡态被认为是化学研究的“圣杯”。共振态是反应体系在过渡态区域形成的具有一定寿命的准束缚态，为探索化学反应在过渡态附近的行为提供契机，因而可以通过研究共振态的结构与动力学揭示化学反应的微观机理。　　该研究结合慢光电子速度成像光谱实验和量子动力学理论，观测到多原子分子反应 F + NH3 → HF + NH2过渡态区域的多个振动Feshbach共振峰（图1）。共振波函数表明这些Feshbach共振态位于产物端势阱、过渡态和反应物端势阱等区域（图2），成因于单个或多个反应体系振动模式的激发。由于部分Feshbach共振态的能量高于反应物势能，因而可能影响化学反应的速率和量子态分布。本研究获得了多原子分子反应过渡态目前最完整的图像，表明过渡态光谱方法已具备探究多原子分子反应过渡态区域复杂动力学行为的能力。　　Feshbach共振态是特殊的量子动力学现象，其标记依赖精确的量子动力学计算。宋宏伟自2016年开始致力于开发计算五原子分子体系光电谱的理论方法，提出了高精度势能面的构建方法（J. Phys. Chem. A 126, 352 (2022)）和精确的量子动力学计算方法（Phys. Chem. Chem. Phys. 23, 22298 (2021)），为标记实验光电子谱和理解多原子分子反应微观机理打下良好的理论基础。　　相关研究成果发表在《自然-化学》上。研究得到国家自然科学基金创新研究群体项目和面上项目的支持。实验测量与理论计算的F-NH3光脱附谱F-NH3负离子基态与不同Feshbach共振态波函数的分布

英特尔或在2025年夺回制程技术领先地位在英特尔的路线图中，该公司在向新制造工艺过渡方面取得了重大进展。Intel 7和Intel 4已经完成，Intel 3、20A 和 18A 将在未来几年推出。Intel 7是该公司的 10nm 工艺，Intel 4是其 7nm 工艺。这些名称可能会产生误导，但芯片中的纳米测量现在大多是营销术语。Intel 4 是近期的趋势，用于 Meteor Lake，它主要采用这种工艺制造。然而，它是第一个使用极紫外光刻技术的处理器，可以实现更高的产量和面积缩放，从而提高能效。Intel 3 是 Intel 4 的后续产品，旨在用于数据中心，预计每瓦性能将提高 18%。Intel 20A 将与 Arrow Lake 处理器一起首次亮相，采用 PowerVia 和 RibbonFET 技术，每瓦性能比 Intel 提高 15%。Intel 18A 是最先进的节点，预计将于 2024 年下半年开始生产，每瓦性能将提升 10%。英特尔去年在 Raptor Lake Refresh 发布会上推出了 Meteor Lake 笔记本电脑处理器，并再次更新了该公司于 2021 年首次发布的制程节点路线图。在那张路线图中，该公司表示希望在四年内实现五个节点，这是多年来其他公司从未实现过的。英特尔自己的路线图指出，它的目标是在 2025 年实现“工艺领先”。按照英特尔的标准，工艺领先意味着每瓦性能最高。在笔者分析英特尔的路线图时发现，Lunar Lake 完全没有被涵盖。它不在路线图之内，原因很简单，Lunar Lake 不是采用英特尔的任何工艺生产的。Lunar Lake 由台积电生产，尽管它应该是第一款采用Intel 18A 生产的芯片。Lunar Lake 本质上是 Meteor Lake 的后续产品，混合了台积电 N3B 和台积电 N6。未来，英特尔将重新采用英特尔的制造工艺，但 Lunar Lake 今年已外包给台积电。英特尔 2025 年前的路线图在上述路线图中，英特尔已完成向Intel 7和Intel 4的过渡，Intel 3、20A 和 18A 将在未来几年内推出。作为参考，Intel 7是该公司对其 10nm 工艺的命名，Intel 4是其对其 7nm 工艺的命名。这些名称的来源（尽管有人可能会认为它们具有误导性），尽管Intel 7是基于 10nm 工艺制造的，但其晶体管密度与台积电的 7nm 非常相似。Intel 4也是如此，WikiChip 实际上得出的结论是，Intel 4的密度很可能略高于台积电的 5nm N5 工艺。话虽如此，20A 和 18A 的情况就变得非常有趣了。据说 20A（该公司的 2nm 工艺）是英特尔实现“工艺平价”的阶段，并将在 Arrow Lake 上首次亮相，这也是该公司首次使用 PowerVia 和 RibbonFET，然后 18A 将是 1.8nm，同时使用 PowerVia 和 RibbonFET。有关更详细的细分，请查看下面制作的图表。英特尔路线图在平面 MOSFET 时代，纳米测量更为重要，因为它们是客观测量，但转向 3D FinFET 技术已将纳米测量变成了单纯的营销术语。Intel 7Intel 7 以前被称为 Intel 10nm Enhanced SuperFin（10 ESF），后来该公司将其更名为 Intel 7，本质上是为了与制造业其他领域的命名惯例保持一致。虽然有人可能会说这是误导，但芯片中的纳米测量目前只不过是一种营销手段，而且这种做法已经持续了很多年。Intel 7 是英特尔使用深紫外光刻 (DUV) 的最后一项工艺。Intel 7 曾用于生产 Alder Lake、Raptor Lake 以及最近宣布的与 Meteor Lake 一起推出的 Raptor Lake Refresh。然而，Meteor Lake 是在 Intel 4 上生产的。Raptor Lake Refresh 很可能是Intel 7的最后一款产品，英特尔承诺未来将转向新的工艺节点。由于 Meteor Lake 搭载在Intel 4上，我们不太可能看到任何在此制造节点上运行的新芯片。Intel 4Meteor Lake大部分都是基于 Intel 4 制造的。Meteor Lake 新 CPU 的计算机 Tile 是基于 Intel 4 制造的，但图形 Tile 是基于 TSMC N3 制造的。这两个 Tile（以及 SoC Tile 和 I/O Tile）使用英特尔的 Foveros 3D 封装技术集成。然而，与Intel 4相比，一个重大变化是，它是英特尔首次利用极紫外光刻技术的制造工艺。这可以实现更高的产量和面积缩放，从而最大限度地提高能效。正如英特尔所说，与Intel 7相比，Intel 4的高性能逻辑库面积缩放是Intel 7的两倍。这是该公司的 7nm 工艺，再次类似于业内其他制造厂所称的 5nm 和 4nm 工艺的能力。到目前为止，Intel 4看起来取得了成功，而 Core Ultra 是英特尔的一大变革……至少在Acer Swift Go 14中是如此。英特尔在这方面的进展将特别有趣，但笔者预计英特尔在 CPU 生产方面可能不再处于劣势。Intel 3Intel 3 是 Intel 4 的后续产品，但预计性能功耗比 Intel 4 提升 18%。它拥有更密集的高性能库，但目前仅针对数据中心使用，包括 Sierra Forest 和 Granite Rapids。目前你不会在任何消费级 CPU 中看到这个。笔者对这个节点了解不多，但考虑到它更注重企业，普通消费者不必太在意它。Intel 20A英特尔知道，在制造工艺方面，它在某种程度上落后于其他行业，并且它计划在 2024 年下半年推出并生产用于其 Arrow Lake 处理器的 Intel 20A。这也将首次推出该公司的 PowerVia 和 RibbonFET，其中 RibbonFET 只是栅极全场效应晶体管 (GAAFET) 的另一个名称（由英特尔起）。台积电正在将其 2nm N2 节点转向 GAAFET，而三星正在将其 3nm 3GAE 工艺节点转向 GAAFET。PowerVia 的特别之处在于它允许在整个芯片中进行背面供电，其中信号线和电源线被分离并分别进行优化。使用正面供电（目前业界的标准）时，由于空间原因，存在很大的瓶颈，同时也可能引发电源完整性和信号干扰等问题。PowerVia 将信号线和电源线分开，理论上可以实现更好的供电。背面供电并不是一个新概念，但多年来它一直是个难题。如果你考虑到 PowerVia 中的晶体管现在处于电源和信号之间的夹层中（晶体管是芯片中最难制造的部分，因为它们最有可能出现缺陷），那么在你已经为其他部分投入资源之后，你正在生产芯片最难的部分。再加上晶体管是 CPU 中产生大部分热量的地方，现在你需要通过一层电源或信号传输来冷却 CPU，你就会明白为什么技术很难做好。据称，该节点的每瓦性能比Intel 3 提高了 15%。据报道，英特尔第 15 代 Arrow Lake 将采用这一工艺制造，这意味着PC电脑应该在今年首次体验到它。英特尔18A英特尔的 18A 是迄今为止最先进的节点，它将于 2024 年下半年开始生产。这将用于生产未来的消费级 Lake CPU 和未来的数据中心 CPU，每瓦性能提升高达 10%。目前还没有太多关于它的细节被分享，它在 RibbonFET 和 PowerVia 上的投入翻了一番。Panther Lake 将以这个工艺节点首次亮相，采用 Cougar Cove P-Cores。自该节点首次亮相以来，唯一的变化是它最初应该使用高 NA EUV 光刻技术，但情况已不再如此。部分原因是英特尔的 18A 节点推出时间略早于最初预期，该公司将其推迟到 2024 年底而不是 2025 年。由于生产 EUV 光刻机的荷兰公司 ASML 仍在 2025 年推出其首款高 NA 扫描仪 (Twinscan EXE:5200)，这意味着英特尔必须在 2024 年跳过它。顺便说一句，对于任何 EUV，公司都必须求助于 ASML，所以没有其他选择。英特尔仍有望在 2024 年下半年开始生产 18A。英特尔的路线图雄心勃勃现在您了解了英特尔今年和明年的路线图，可以说它绝对是雄心勃勃的。英特尔自己将其宣传为“四年五个节点”，因为他们知道这有多么令人印象深刻。虽然您可能预料到在此过程中可能会出现一些小问题，但自英特尔于 2021 年首次公布该计划以来，唯一的变化是将Intel 18A提前到更早的发布时间。其他一切都保持不变。此后，该公司宣布将推出 18A-P，随后还将推出英特尔 14A 和 14A-E。其中，P 代表性能改进，E 代表功能扩展。这些都着眼于未来，直到 2027 年，但表明英特尔有宏伟的计划，不仅要赶上，还要主导其余的竞争对手。英特尔是否会继续保持其渐进式的增加还有待观察，但该公司唯一需要做出的改变是比预期更早推出其最先进的节点，这是一个好兆头。虽然目前尚不清楚英特尔在更先进的工艺方面（尤其是当它达到 RibbonFET 时）是否会成为台积电和三星的强大竞争对手。Meteor Lake 是一个良好的开端，大家都迫不及待地想看看英特尔还有什么准备。