這款芯片在計(jì)算時(shí)也能存儲(chǔ)

AI 對(duì)算力提出了更高的要求，傳統(tǒng)的芯片面臨挑戰(zhàn)，不過(guò)在量子計(jì)算和類(lèi)腦計(jì)算獲得長(zhǎng)足發(fā)展之前，芯片算力的提升依舊依靠現(xiàn)有技術(shù)的提升和創(chuàng)新。存內(nèi)計(jì)算芯片在 AI 時(shí)代中也獲得了不少關(guān)注，不過(guò)普渡大學(xué)的工程師開(kāi)發(fā)的方法是從材料的角度進(jìn)行創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了芯片在計(jì)算的同時(shí)也可以存儲(chǔ)。研究人員稱(chēng)，未來(lái)如果這種芯片的進(jìn)一步改進(jìn)將有利于類(lèi)腦計(jì)算的發(fā)展。

計(jì)算機(jī)芯片使用兩個(gè)不同的組件來(lái)處理和存儲(chǔ)信息。如果工程師可以將兩種組件組合成一個(gè)或彼此相鄰放置，那么芯片上將有更多的空間，從芯片速度更快，性能更強(qiáng)大。

普渡大學(xué)（Purdue University）的工程師已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種方法，將用于處理信息的數(shù)百萬(wàn)個(gè)微型開(kāi)關(guān)（通常稱(chēng)為晶體管）也能在芯片上進(jìn)行信息的存儲(chǔ)。

這種方法在《自然電子》上發(fā)表的一篇論文中進(jìn)行了詳細(xì)介紹，它通過(guò)解決另一個(gè)問(wèn)題來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)：將晶體管與比大多數(shù)計(jì)算機(jī)中使用的性能更高的存儲(chǔ)技術(shù)相結(jié)合，稱(chēng)為鐵電性 RAM。

研究人員數(shù)十年來(lái)一直試圖將兩者整合在一起，但問(wèn)題在于鐵電材料和硅（構(gòu)成晶體管的半導(dǎo)體材料）之間的界面。另外，鐵電 RAM 作為片上的獨(dú)立單元運(yùn)行，從而限制了其大幅提升計(jì)算效率的潛力。

由普渡大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程教授 Peide Ye，Richard J. 和 Mary Jo Schwartz 帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了如何克服硅與鐵電材料之間致命的敵對(duì)關(guān)系的方法。

“我們使用了具有鐵電特性的半導(dǎo)體。兩種材料就變成一種材料，這樣就不必?fù)?dān)心接口問(wèn)題?！?Ye 說(shuō)。

結(jié)果就成為了所謂的鐵電半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其構(gòu)建方式與當(dāng)前計(jì)算機(jī)芯片上使用的晶體管相同。

α硒化銦材料不僅具有鐵電性能，而且還解決了“ 禁帶寬度 ” 通常充當(dāng)絕緣體而不是半導(dǎo)體常規(guī)鐵電材料的問(wèn)題，這意味著電流無(wú)法通過(guò)并且沒(méi)有計(jì)算發(fā)生。

α-硒化銦的禁帶寬度小得多，這使得這種材料成為半導(dǎo)體而不會(huì)失去鐵電性能。

普渡大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程博士后研究員 Mengwei Si 構(gòu)建并測(cè)試了該晶體管，發(fā)現(xiàn)其性能可與現(xiàn)有的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管相媲美，并表示通過(guò)一步優(yōu)化性能還會(huì)更好。普渡大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程助理教授 Sumeet Gupta，獲得博士學(xué)位的 Atanu Saha 對(duì)建模提供了支持。

Si 和 Ye 的團(tuán)隊(duì)還與佐治亞理工學(xué)院的研究人員合作，將α-硒化銦建立在稱(chēng)為鐵電隧道結(jié)的芯片空間中，工程師可以利用該空間來(lái)增強(qiáng)芯片的功能。該團(tuán)隊(duì)在 12 月 9 日在 2019 IEEE 國(guó)際電子設(shè)備會(huì)議上介紹了這項(xiàng)研究工作。

過(guò)去，研究人員無(wú)法建立高性能的鐵電隧道結(jié)，因?yàn)樗膶拵妒共牧咸?，無(wú)法通過(guò)電流。由于α-硒化銦的帶隙小得多，因此該材料的厚度僅為 10 納米，從而可以允許更多的電流流過(guò)。

更大的電流可以讓芯片的面積縮小至幾納米，從而使芯片的晶體管密度更高、更節(jié)能。Ye 補(bǔ)充表示，較薄的材料-甚至可以減小到原子的厚度，也意味著隧道結(jié)兩側(cè)的電極可以小得多，這對(duì)于構(gòu)建模擬人腦的電路非常有用。