新型的鐵電半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管已被成功研制

（文章來(lái)源：環(huán)球創(chuàng)新智慧）

據(jù)美國(guó)普渡大學(xué)官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，該校工程師將晶體管與鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器結(jié)合成一種新設(shè)備，該設(shè)備集信息處理與存儲(chǔ)功能于一身。如今，數(shù)字計(jì)算機(jī)，特別是超級(jí)計(jì)算機(jī)，已具備非常強(qiáng)大的計(jì)算能力。但是面對(duì)某些復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)還是無(wú)法勝任，不能像人腦那樣低能耗、高效率地進(jìn)行運(yùn)算并解決問(wèn)題。

這個(gè)問(wèn)題的主要原因是，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)大多采用了馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)。馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)是由美籍匈牙利科學(xué)家馮·諾依曼（John von Neumann）于1946年提出的。

在馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)中，存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序指令和數(shù)據(jù)；處理器執(zhí)行指令與處理相關(guān)數(shù)據(jù)。可是，存儲(chǔ)器與處理器是完全分離的兩個(gè)單元，數(shù)據(jù)需要在處理器與內(nèi)存之間來(lái)回移動(dòng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷進(jìn)步，處理器速度不斷提高，內(nèi)存容量也不斷擴(kuò)大，可是內(nèi)存訪問(wèn)速度的增長(zhǎng)卻緩慢，成為了計(jì)算機(jī)整體性能的一個(gè)重要瓶頸，也就是所謂的“內(nèi)存墻”問(wèn)題。因此，無(wú)論硬件可以做得多小或者多快，架構(gòu)中都存在著這樣一個(gè)固有的瓶頸。

相比之下，人腦優(yōu)勢(shì)明顯。它不僅可并行處理和存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，而且能耗極低。人腦處于全方位的互聯(lián)狀態(tài)，其中的邏輯（處理信息）和記憶（存儲(chǔ)信息）功能緊密關(guān)聯(lián)，其密度和多樣性均是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的數(shù)十億倍。因此，科學(xué)家們希望從人腦結(jié)構(gòu)中汲取靈感，來(lái)解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所固有的問(wèn)題。他們?cè)噲D模仿人腦的神經(jīng)元與突觸，在同一地點(diǎn)處理和存儲(chǔ)信息。為此，他們努力打造了許多新型器件，其中比較典型的有憶阻器、光學(xué)類腦計(jì)算芯片等。

美國(guó)普渡大學(xué)工程師們開(kāi)發(fā)的新方案，它旨在將存儲(chǔ)器與處理器結(jié)合成為一個(gè)設(shè)備。這樣一來(lái)，芯片上就會(huì)騰出更多的空間，從而運(yùn)轉(zhuǎn)得更快速、更強(qiáng)大。在這個(gè)方案中，過(guò)去常常用于處理信息的數(shù)百萬(wàn)個(gè)微型開(kāi)關(guān)（晶體管），成為了集存儲(chǔ)與處理功能于一身的設(shè)備。

研究人員們?cè)凇蹲匀弧?a target="_blank">電子學(xué)（Nature Electronics）》期刊上詳細(xì)描述了這一方案。該方案通過(guò)解決另一個(gè)問(wèn)題來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，也就是說(shuō)，將晶體管與所謂的“鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（ferroelectric RAM）”結(jié)合起來(lái)。鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器比大多數(shù)計(jì)算機(jī)中使用的存儲(chǔ)技術(shù)性能更高。

數(shù)十年來(lái)，研究人員們一直嘗試將信息處理與存儲(chǔ)功能合二為一，但問(wèn)題出現(xiàn)在鐵電材料與硅（組成晶體管的材料）之間的界面上。相反，鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器作為芯片上的獨(dú)立單元來(lái)運(yùn)行，限制了它讓計(jì)算變得更高效的潛力。普渡大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系教授葉培德（Peide Ye）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)找到了破解硅與鐵電材料之間死敵關(guān)系的方法。

葉教授表示：“我們采用具有鐵電特性的半導(dǎo)體。這樣一來(lái)，兩種材料變成一種材料，你不必再擔(dān)心界面問(wèn)題?！苯Y(jié)果就制造出了一種所謂的“鐵電半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管”，它與目前計(jì)算機(jī)芯片上所用的晶體管的制造方法相同。

α-In2Se3 這種材料不僅具有鐵電特性，還可以解決傳統(tǒng)鐵電材料通常用作絕緣體而不是半導(dǎo)體的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題是由于所謂的寬“帶隙”，也就是說(shuō)，電流無(wú)法通過(guò)，也沒(méi)有進(jìn)行計(jì)算。α-In2Se3 的帶隙要窄得多，在成為半導(dǎo)體的同時(shí)又不會(huì)喪失鐵電特性。

普渡大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系博士后研究員司夢(mèng)偉（Mengwei Si，音譯），構(gòu)造并測(cè)試了這種晶體管，發(fā)現(xiàn)其性能堪比現(xiàn)有的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管，并且通過(guò)更多的優(yōu)化可以超越它們。普渡大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系助理教授 Sumeet Gupta 以及博士研究生 Atanu Saha 提供了建模支持。

司夢(mèng)偉與葉培德的團(tuán)隊(duì)也與佐治亞理工學(xué)院的研究人員合作，將 α-In2Se3 構(gòu)造到芯片上的一片空間中，這片空間也稱為鐵電隧道結(jié)。工程師們可用它來(lái)提升芯片性能。12月9日，團(tuán)隊(duì)在2019年度國(guó)際電子設(shè)備會(huì)議上展示了這項(xiàng)成果。過(guò)去，研究人員們一直都無(wú)法構(gòu)造高性能的鐵電隧道結(jié)，因其寬帶隙使材料太厚，以至電流無(wú)法流過(guò)。然而 α-In2Se3 的帶隙要窄得多，因此材料厚度僅為10納米，可允許更多電流流過(guò)。

葉教授表示，較多的電流讓器件面積可縮小至幾納米，使芯片更密集、更節(jié)能。較薄的材料，甚至薄至一層原子的厚度，也意味著隧道結(jié)兩側(cè)的電極可以變小很多，從而有利于構(gòu)造模仿人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電路。
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