1納米“記憶開(kāi)關(guān)”研制成功 開(kāi)啟低功耗新時(shí)代！未來(lái)智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)待機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)傳感器電池續(xù)航數(shù)年、可穿戴設(shè)備無(wú)需頻繁充電——這些關(guān)于低功耗電子產(chǎn)品的美好愿景，正因一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)突破而加速照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。北京大學(xué)電子學(xué)院邱晨光研究員—彭練矛院士團(tuán)隊(duì)成功研制出一種名為“納米柵超低功耗鐵電晶體管”的新器件。這種器件像一只能量消耗極低的“記憶開(kāi)關(guān)”，能在極低電壓下完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取，成為國(guó)際上迄今功耗最低的鐵電晶體管，為打造更省電的AI芯片和智能設(shè)備提供了關(guān)鍵條件。相關(guān)研究成果已在線(xiàn)發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)·進(jìn)展》。

要理解這個(gè)“開(kāi)關(guān)”有多神奇，得先聊聊如今芯片面臨的一大難題：電腦和手機(jī)處理器（CPU）在處理數(shù)據(jù)時(shí)，存儲(chǔ)和計(jì)算是分開(kāi)的，數(shù)據(jù)在兩個(gè)模塊之間來(lái)回搬運(yùn)，不僅費(fèi)時(shí)，也很費(fèi)電。就像廚師做菜時(shí)，每放一次調(diào)料都要跑回倉(cāng)庫(kù)拿，次數(shù)多了，時(shí)間和體力都浪費(fèi)了。鐵電晶體管之所以被寄予厚望，是因?yàn)樗馨选皞}(cāng)庫(kù)”和“灶臺(tái)”合二為一：既能計(jì)算，又能存儲(chǔ)，斷電后信息也不會(huì)丟失。然而，傳統(tǒng)鐵電存儲(chǔ)器存在一個(gè)致命短板：操作所需電壓與功耗太高，無(wú)法直接匹配外部運(yùn)算電路，導(dǎo)致數(shù)據(jù)搬運(yùn)過(guò)程中需要頻繁轉(zhuǎn)換電壓。這個(gè)問(wèn)題嚴(yán)重限制了鐵電存儲(chǔ)器在高能效AI芯片、便攜式智能設(shè)備等對(duì)功耗敏感場(chǎng)景中的規(guī)?；瘧?yīng)用。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)一種極其巧妙的方法解決了這個(gè)矛盾。他們將晶體管的關(guān)鍵部件——柵極長(zhǎng)度縮小至1納米。在這個(gè)原子級(jí)別尺度上，他們打造出一個(gè)極細(xì)的“電場(chǎng)探針”。當(dāng)給這個(gè)探針通上電時(shí)，電場(chǎng)能量會(huì)高度集中在一個(gè)點(diǎn)上，只需施加0.6伏的微小電壓，就能輕松撥動(dòng)這個(gè)開(kāi)關(guān)，完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。而在相同電壓下，傳統(tǒng)器件的電場(chǎng)能量在空間上是分散的，無(wú)法有效控制開(kāi)關(guān)。這種設(shè)計(jì)打破了傳統(tǒng)鐵電晶體管的物理限制，讓電壓效率提升至125%，首次突破了鐵電材料的理論極限，真正實(shí)現(xiàn)了超低功耗下的數(shù)據(jù)高效存儲(chǔ)。

這項(xiàng)突破的意義不僅僅在于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。邱晨光表示，0.6伏的工作電壓比現(xiàn)在主流芯片使用的0.7伏還要低；其開(kāi)關(guān)能耗更是比國(guó)際最好水平降低了整整一個(gè)數(shù)量級(jí)。如果這項(xiàng)技術(shù)走向?qū)嵱茫钶d這種芯片的手機(jī)、自動(dòng)駕駛儀、云端服務(wù)器等設(shè)備可以用極少電量完成大量計(jì)算和存儲(chǔ)任務(wù)。對(duì)于正在飛速發(fā)展的AI技術(shù)來(lái)說(shuō)，這是一劑良藥——如今的大模型和芯片都是“電老虎”，能耗墻已經(jīng)成了繼續(xù)提升算力的最大阻礙。而這種“越小越省電、越小越好用”的新器件為突破這堵墻打開(kāi)了一扇新的大門(mén)。