未來智能手機(jī)實現(xiàn)超長待機(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，正因一項關(guān)鍵突破而加速照進(jìn)現(xiàn)實。

北京大學(xué)電子學(xué)院邱晨光研究員—彭練矛院士團(tuán)隊，帶來一項“四兩撥千斤”的硬核突破——成功研制出一種新型 “納米柵超低功耗鐵電晶體管” 。它就像一個能量消耗極低的 “記憶開關(guān)” ，為解決芯片高能耗問題找到了新路徑。相關(guān)成果日前在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)·進(jìn)展》。

它牛在哪？

“簡單說，它用一個極其巧妙的設(shè)計，打破了傳統(tǒng)芯片的一大難題：電腦和手機(jī)處理器（CPU）在處理數(shù)據(jù)時，存儲和計算是分開的，數(shù)據(jù)在兩個模塊之間來回搬運(yùn)，不僅費(fèi)時，也很費(fèi)電。就像廚師做菜時，每放一次調(diào)料都得跑回倉庫拿，時間和體力都浪費(fèi)了?！鼻癯抗庹f，鐵電晶體管被寄予厚望，就是因為它能 “存算一體”（既是倉庫又是灶臺），斷電了信息也不會丟。但它的致命短板是操作電壓太高，導(dǎo)致功耗巨大，難以實際應(yīng)用。

研究團(tuán)隊的突破在于，他們把晶體管的關(guān)鍵部件——柵極，縮小到了1納米。

這是什么概念？一根頭發(fā)絲的直徑大約是8萬—10萬納米。

在這個原子級別尺度上，他們造出了一個極細(xì)的“電場探針”。通電后，電場能量會像水流匯聚到針尖一樣高度集中。結(jié)果就是，只需施加0.6伏的微小電壓，就能輕松撥動這個“開關(guān)”，完成數(shù)據(jù)存儲。邱晨光舉例：“就像用一根極細(xì)的針把力量集中在一點(diǎn)，輕松撬動了原本需要大力氣才能搬動的重物?！?/p>

“這種設(shè)計打破了傳統(tǒng)鐵電晶體管的物理限制，讓電壓效率提升至125%，真正實現(xiàn)了超低功耗下的數(shù)據(jù)高效存儲?！?/strong>

這組數(shù)據(jù)意味著什么？

電壓更低：0.6伏的工作電壓，低于現(xiàn)在主流芯片的0.7伏。

能耗驟降：開關(guān)能耗比國際最好水平降低了整整一個數(shù)量級。

效率突破：電壓效率首次突破了鐵電材料的理論極限。

這項技術(shù)有什么用？

“如果未來走向?qū)嵱?，搭載這種芯片的手機(jī)、可穿戴設(shè)備、自動駕駛儀、云端服務(wù)器，都能用極少的電量完成大量計算和存儲任務(wù)。”彭練矛說，對于正在飛速發(fā)展的AI技術(shù)來說，這更是一劑良藥。如今的大模型和芯片都是“電老虎”，能耗已成為繼續(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，為突破這堵墻打開了一扇新的大門。

來源：光明日報（記者：晉浩天）

編輯：崔婷婷 編審：高源