在研究人員看來(lái)，鐵電半導(dǎo)體是將主流計(jì)算與下一代架構(gòu)連接起來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)者，現(xiàn)在密歇根大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將它們制造得只有 5 納米厚——大約只有 50 個(gè)原子的跨度。

這為將鐵電技術(shù)與計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)中使用的傳統(tǒng)組件相結(jié)合、擴(kuò)展人工智能和傳感能力鋪平了道路。它們還可以啟用無(wú)電池設(shè)備，這對(duì)于為智能家居提供動(dòng)力的物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 至關(guān)重要，可以識(shí)別工業(yè)系統(tǒng)的問(wèn)題并提醒人們注意安全風(fēng)險(xiǎn)等。

“這將允許實(shí)現(xiàn)超高效、超低功耗、與主流半導(dǎo)體完全集成的設(shè)備，” UM 電氣與計(jì)算機(jī)工程教授、該研究的共同通訊作者Zetian Mi說(shuō)。“這對(duì)于未來(lái)的人工智能和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備來(lái)說(shuō)非常重要?！?/p>

鐵電半導(dǎo)體從其他半導(dǎo)體中脫穎而出，因?yàn)樗鼈兛梢跃S持電極化，就像磁性的電版本。但與冰箱磁鐵不同的是，它們可以切換正極和負(fù)極。此屬性可用于多種用途，包括感測(cè)光和聲振動(dòng)，以及收集它們以獲取能量。

“這些鐵電設(shè)備可以自供電，”米說(shuō)?！八麄兛梢允占h(huán)境能量，這非常令人興奮?！?/p>

它們提供了一種不同的方式來(lái)存儲(chǔ)和處理經(jīng)典信息和量子信息。例如，兩個(gè)電極化狀態(tài)可以作為計(jì)算中的一和零。這種計(jì)算方式還可以模擬神經(jīng)元之間的連接，從而實(shí)現(xiàn)大腦中的記憶存儲(chǔ)和信息處理。這種架構(gòu)被稱為神經(jīng)形態(tài)計(jì)算，非常適合支持通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理信息的 AI 算法。

以電極化的形式存儲(chǔ)能量比 RAM 中的電容器需要更少的能量，RAM 中的電容器會(huì)不斷汲取能量，否則會(huì)丟失它們存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，甚至可能比 SSD 更耐用。這種內(nèi)存可以更密集地封裝，增加容量，并且對(duì)包括極端溫度、濕度和輻射在內(nèi)的惡劣環(huán)境更加穩(wěn)健。

Mi 的團(tuán)隊(duì)之前曾在由摻有鈧的氮化鋁制成的半導(dǎo)體中展示鐵電行為，這種金屬有時(shí)用于強(qiáng)化高性能自行車和戰(zhàn)斗機(jī)中的鋁。然而，要在現(xiàn)代計(jì)算設(shè)備中使用它，他們需要能夠?qū)⑵渲瞥杀∮?10 納米或大約 100 個(gè)原子厚度的薄膜。

他們通過(guò)一種稱為分子束外延的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，這種方法與制造驅(qū)動(dòng) CD 和 DVD 播放器中激光器的半導(dǎo)體晶體的方法相同。在具有強(qiáng)烈蒸汽朋克氛圍的機(jī)器中，他們能夠放置 5 納米厚的晶體——這是有史以來(lái)最小的尺寸。他們通過(guò)精確控制鐵電半導(dǎo)體中的每一層原子，并最大限度地減少表面原子的損失來(lái)做到這一點(diǎn)。

“通過(guò)減少厚度，我們表明我們很有可能降低工作電壓，”電氣和計(jì)算機(jī)工程研究科學(xué)家、該研究的第一作者王丁說(shuō)?！斑@意味著我們可以減小設(shè)備的尺寸并降低運(yùn)行期間的功耗?！?/p>

此外，納米級(jí)制造提高了研究人員研究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，并且由于其不尋常的光學(xué)和聲學(xué)特性，可能為其在量子技術(shù)中的應(yīng)用開(kāi)辟道路。

“憑借這種薄度，我們可以真正探索微小的物理相互作用，”UM 電氣和計(jì)算機(jī)工程研究科學(xué)家 Ping Wang 說(shuō)?！斑@將幫助我們開(kāi)發(fā)未來(lái)的量子系統(tǒng)和量子設(shè)備?！?/p>

該研究由國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局資助。

審核編輯 ：李倩