加州大學(xué)伯克利分校工程師們描述在晶體管的設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重大突破

計(jì)算機(jī)可能越來(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。美國(guó)用于計(jì)算的能源消耗總量在過(guò)去十年中急劇上升，并迅速接近其他行業(yè)，如交通。

在發(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)組成部分的微小電子開(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。該組件被稱(chēng)為柵極氧化物，在晶體管的開(kāi)關(guān)中起著關(guān)鍵作用。

該研究的高級(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)：“我們已經(jīng)證明，我們的柵極氧化物技術(shù)比市面上的晶體管更好。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。”

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，并在2011年首次在一個(gè)鐵電晶體中展示了這種效應(yīng)。

這項(xiàng)新的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，這種晶體很容易與先進(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)能夠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。

為了測(cè)試超晶格結(jié)構(gòu)作為柵極氧化物的性能如何，該團(tuán)隊(duì)制作了短通道晶體管并測(cè)試了它們的能力。

測(cè)試發(fā)現(xiàn)，與現(xiàn)有的晶體管相比，這些晶體管需要的電壓將減少約30%，同時(shí)保持半導(dǎo)體行業(yè)的基準(zhǔn)，并且不損失可靠性。

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