計(jì)算機(jī)可能會(huì)變得越來(lái)越小、功能越來(lái)越強(qiáng)，但它們需要大量的能源來(lái)運(yùn)行。在過(guò)去十年時(shí)間中，美國(guó)用于計(jì)算的能源總量急劇上升并迅速接近其他主要部門如交通部門。
于當(dāng)?shù)貢r(shí)間4月6日在線發(fā)表在《自然》上的一項(xiàng)研究中，加州大學(xué)伯克利分校的工程師們描述了在晶體管–構(gòu)成計(jì)算機(jī)構(gòu)件的微小電子開(kāi)關(guān)–的設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重大突破，它可以在不犧牲速度、尺寸或性能的情況下大大降低其能源消耗。該元件被稱為閘極氧化層，其在晶體管的開(kāi)關(guān)中起著關(guān)鍵作用。
“我們已經(jīng)能夠證明，我們的閘極氧化層技術(shù)比市面上的晶體管更好，”這項(xiàng)研究的論文高級(jí)作者、加州大學(xué)伯克利分校臺(tái)積電電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)特聘教授Sayeef Salahuddin說(shuō)道，“今天價(jià)值數(shù)萬(wàn)億美元的半導(dǎo)體行業(yè)所能做到的–我們基本上可以擊敗他們。
據(jù)悉，這種效率的提高是通過(guò)一種叫做負(fù)電容的效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，它有助于減少在材料中儲(chǔ)存電荷所需的電壓。Salahuddin在2008年從理論上預(yù)測(cè)了負(fù)電容的存在，另外還在2011年首次在一個(gè)鐵電晶體中展示了這種效應(yīng)。
這項(xiàng)新研究顯示了如何在一種由氧化鉿和氧化鋯的分層堆疊組成的工程晶體中實(shí)現(xiàn)負(fù)電容，這種晶體非常容易跟先進(jìn)的硅晶體兼容。通過(guò)將這種材料納入模型晶體管，該研究展示了負(fù)電容效應(yīng)如何能大大降低控制晶體管所需的電壓量并因此降低計(jì)算機(jī)所消耗的能源量。
Salahuddin表示：“在過(guò)去的10年里，用于計(jì)算的能源成倍增長(zhǎng)已經(jīng)占到世界能源生產(chǎn)的個(gè)位數(shù)百分比，而這一增長(zhǎng)只是線性的，沒(méi)有盡頭。通常情況下，當(dāng)我們使用電腦和手機(jī)時(shí)，我們不會(huì)想到我們正在使用多少能源。但這是一個(gè)巨大的數(shù)量，而且它只會(huì)上升。我們的目標(biāo)是減少計(jì)算的這一基本構(gòu)件的能源需求，因?yàn)檫@將降低整個(gè)系統(tǒng)的能源需求?！?/p>
將負(fù)電容帶入現(xiàn)實(shí)技術(shù)
最先進(jìn)的筆記本電腦和智能手機(jī)包含數(shù)以百億計(jì)的微小硅晶體管，而每個(gè)晶體管都必須通過(guò)施加電壓來(lái)控制。柵極氧化物是一層薄薄的材料，進(jìn)而將施加的電壓轉(zhuǎn)化為電荷，然后開(kāi)關(guān)晶體管。
負(fù)電容可以通過(guò)減少實(shí)現(xiàn)特定電荷所需的電壓量來(lái)提高柵極氧化物的性能。但這種效果不能在任何材料中實(shí)現(xiàn)。創(chuàng)造負(fù)電容需要仔細(xì)操縱一種叫做鐵電性的材料特性，當(dāng)一種材料表現(xiàn)出自發(fā)的電場(chǎng)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)這種情況。以前，這種效果只在被稱為過(guò)氧化物的鐵電材料中實(shí)現(xiàn)，而過(guò)氧化物的晶體結(jié)構(gòu)跟硅不兼容。
在這項(xiàng)研究中，研究小組表明，通過(guò)將氧化鉿和氧化鋯結(jié)合在一個(gè)被稱為超晶格的工程晶體結(jié)構(gòu)中也可以實(shí)現(xiàn)負(fù)電容，并且還能讓鐵電性和反鐵電性同時(shí)存在。
研究論文的共同第一作者、加州大學(xué)伯克利分校的博士后研究員Suraj Cheema表示：“我們發(fā)現(xiàn)這種組合實(shí)際上給我們帶來(lái)了更好的負(fù)電容效應(yīng)，這表明這種負(fù)電容現(xiàn)象比原來(lái)想象的要廣泛得多。負(fù)電容不僅僅發(fā)生在鐵電體跟電介質(zhì)的傳統(tǒng)畫(huà)面中，這也是過(guò)去十年來(lái)研究的內(nèi)容。實(shí)際上，你可以通過(guò)設(shè)計(jì)這些晶體結(jié)構(gòu)來(lái)利用反鐵電性和鐵電性，從而使其效果更強(qiáng)?！?/p>
研究人員發(fā)現(xiàn)，由三個(gè)氧化鋯原子層夾在兩個(gè)氧化鉿單原子層之間組成的超晶格結(jié)構(gòu)總厚度不到兩納米，這提供了最佳的負(fù)電容效應(yīng)。由于大多數(shù)最先進(jìn)的硅晶體管已經(jīng)使用了由二氧化硅上面的氧化鉿組成的兩納米二氧化鋯 ，并且由于氧化鋯也被用于硅技術(shù)，這些超晶格結(jié)構(gòu)可以很容易地被集成到先進(jìn)的晶體管中。
為了測(cè)試超晶格結(jié)構(gòu)作為二氧化鋯的性能表現(xiàn)，該團(tuán)隊(duì)制作了短通道晶體管并測(cè)試了它們的能力。跟現(xiàn)有的晶體管相比，這些晶體管需要的電壓將減少約30%，以此同時(shí)還能保持半導(dǎo)體行業(yè)的基準(zhǔn)且不損失可靠性。
“我們?cè)谶@種類型的研究中經(jīng)?？吹降囊粋€(gè)問(wèn)題是，我們可以證明材料中的各種現(xiàn)象，但這些材料跟先進(jìn)的計(jì)算材料不兼容，因此我們無(wú)法將好處帶到真正的技術(shù)中.這項(xiàng)工作將負(fù)電容從一個(gè)學(xué)術(shù)課題轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢哉嬲糜谙冗M(jìn)晶體管的東西。”
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