助力AI和量子計算發(fā)展的未來之星

鐵電半導體是連接主流計算與下一代架構之間的有力技術競爭者，目前密歇根大學的一個團隊已經(jīng)將其制成了只有5納米厚，大約是50個原子的厚度。

這將鐵電技術與計算機和智能手機中使用的傳統(tǒng)零部件相結合，以及擴大人工智能和傳感能力鋪平了道路。它們還可以實現(xiàn)無電池供電設備，這對物聯(lián)網(wǎng)（IoT）至關重要，物聯(lián)網(wǎng)可為智能家居提供動力，識別工業(yè)系統(tǒng)的問題，提醒人們安全風險等。

“這將幫助制造出可與主流半導體集成的具有超高效、超低功耗器件，”美國大學電機與計算機工程教授Zetian Mi表示。“這對未來的人工智能和物聯(lián)網(wǎng)相關設備來說至關重要?！?/p>

鐵電半導體非常與眾不同，因為它們可以維持電極化，就像磁力的電版本。但與冰箱磁鐵不同，它們可以切換哪一端是正極，哪一端是負極。這一特性適用于多種方式，包括感知光和聲學振動，以及獲取能量。

Mi表示：“這些鐵電器件可以自供電。他們可以收獲環(huán)境能量，這令人感到興奮?！?/p>

它們也提供了存儲和處理經(jīng)典信息和量子信息的不同方式。例如，在計算中，兩個電極化態(tài)可以作為一和零。這種計算方式還可以模擬神經(jīng)元之間的連接，從而在大腦中實現(xiàn)記憶存儲和信息處理。這種被稱為神經(jīng)形態(tài)計算的架構非常適合支持通過神經(jīng)網(wǎng)絡處理信息的AI算法。

以電極化方式存儲能量所消耗的能量比RAM中的電容器還少，后者會不斷消耗電力或丟失存儲的數(shù)據(jù)，前者甚至可能比SSD更耐用。這種存儲器可以實現(xiàn)更密集地封裝，增加容量，并且對惡劣環(huán)境（包括極端溫度、濕度和輻射）具有更強適應性。

Mi的團隊此前在一種摻有鈧的氮化鋁制成的半導體中展示了鐵電行為，鈧是一種有時用于在具有特殊性能要求的自行車和戰(zhàn)斗機中強化鋁的金屬。然而，為了將其應用于現(xiàn)代計算設備中，則需要將他們制成厚度小于10納米的薄膜，大約100個原子的厚度。

他們使用了一種被稱為分子束外延的技術實現(xiàn)了這一點，這是一種制造半導體晶體的方法，用來驅動CD和DVD播放機中的激光器。在一臺機器中，他們能夠放置一塊5納米厚的晶體，這是有史以來可實現(xiàn)的最小厚度。他們通過精確控制鐵電半導體中的每一層原子，以及最小化原子表面的損失來實現(xiàn)這一厚度。

“通過減小厚度，也表明了我們很有可能可以降低工作電壓，”電氣和計算機工程研究科學家Ding Wang表示，“這意味著我們可以減小器件的尺寸，并降低運行期間的功耗?！?/p>

此外，納米制造提高了研究人員研究該材料基本特性的能力，發(fā)現(xiàn)了其在小尺寸下的性能極限，并可能因其具有的不同尋常的光學和聲學特性而為其在量子技術中的應用開辟了道路。

“達到這一厚度，我們可以真正探索微小尺寸下的物理相互作用，”密歇根大學電機和計算機工程研究科學家Ping Wang表示，“這將有助于我們開發(fā)未來的量子系統(tǒng)和量子器件?！?/p>

審核編輯 ：李倩