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新蒲京澳门赌场网站:美国普渡大学研制出新型铁电半导体场效应晶体管



2019/12/12 10:55:00全球立异聪明关键字:美国 新型铁电半导体场效应 晶体管

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据美国普渡大年夜学官网近日报道,该校工程师将晶体管与铁电随机存取存储器结合成一种新设备,该设备集信息处置惩罚与存储功能于一身。

背景

如今,数字谋略机,分外是超级谋略机,已具备异常强大年夜的谋略能力。然则面对某些繁杂问题时,传统谋略机照样无法胜任,不能像人脑那样低能耗、高效率地进交运算并办理问题。

这个问题的主要缘故原由是,传统谋略机大年夜多采纳了冯诺依曼体系布局。冯诺新蒲京澳门赌场网站依曼体系布局是由美籍匈牙利科学家冯诺依曼(John von Neumann)于1946年提出的。

在冯诺依曼体系布局中,存储器存储法度榜样指令和数据;处置惩罚器履行指令与处置惩罚相关数据。可是,存储器与处置惩罚器是完全分离的两个单元,数据必要在处置惩罚器与内存之间往返移动。跟着谋略机技巧赓续进步,处置惩罚器速率赓续前进,内存容量也赓续扩大年夜,可是内存造访速率的增长却迟钝,成为了谋略机整体机能的一个紧张瓶颈,也便是所谓的“内存墙”问题。是以,无论硬件可以做得多小或者多快,架构中都存在着这样一个固有的瓶颈。

比拟之下,人脑上风显着。它不仅可并行处置惩罚和存储大年夜量数据,而且能耗极低。人脑处于全方位的互联状态,此中的逻辑(处置惩罚信息)和影象(存储信息)功能慎密关联,其密度和多样性均是今世谋略机的数十亿倍。

是以,科学家们盼望从人脑布局中汲取灵感,来办理传统谋略机所固有的问题。他们试图仿照人脑的神经元与突触,在同一地点处置惩罚和存储信息。为此,他们努力打造了许多新型器件,此中对照范例的有忆阻器、光学类脑谋略芯片等。

下图中,左图展示了生物大年夜脑中的一个突触,也是右图中人工仿照物的灵感滥觞。右图是用铁电地道结实现的忆阻器,即夹在氮化钛电极(蓝色线)和硅衬底(海蓝色)之间的氧化铪薄膜(粉血色),硅衬底的另一个角色便是第二个电极。经由过程改变氧化铪的极化,电脉冲使忆阻器在上下电阻之间切换,从而改变其导电性。

(图片滥觞:Elena Khavina/MIPT新闻办公室)

基于毫光的脑启迪芯片示意图。(图片滥觞:Johannes Feldmann)

立异

本日,笔者要为大年夜家先容美国普渡大年夜学工程师们开拓的新规划,它旨在将存储器与处置惩罚器结合成为一个设备。这样一来,芯片上就会腾出更多的空间,从而运转得更快速、更强大年夜。在这个规划中,以前经常用于处置惩罚信息的数百万个微型开关(晶体管),成为了集存储与处置惩罚功能于一身的设备。

美国普渡大年夜学研制出新型铁电半导体场效应晶体管

(图片滥觞:普渡大年夜学/Vincent Walter)

钻研职员们在《自然电子学(Nature Electronics)》期刊上具体描述了这一规划。该规划经由过程办理另一个问题来实现这个目标,也便是说,将晶体管与所谓的“铁电随机存取存储器(f新蒲京澳门赌场网站erroelectric RAM)”结合起来。铁电随机存取存储器连大年夜多半谋略机中应用的存储技巧机能更高。

技巧

数十年来,钻研职员们不停考试测验将信息处置惩罚与存储功能合二为一,但问题呈现在铁电材料与硅(组成晶体管的材料)之间的界面上。相反,铁电随机存储器作为芯片上的自力单元来运行,限定了它让谋略变得更高效的潜力。

普渡大年夜学电气与谋略机工程系教授叶培德(Peide Ye)引导的团队找到了破解硅与铁电材料之间逝世敌关系的措施。

叶教授表示:“我们采纳具有铁电特点的半导体。这样一来,两种材料变成一种材料,新蒲京澳门赌场网站你不必再担心界面问题。”

结果就制造出了一种所谓的“铁电半导体场效应晶体管”,它与今朝谋略机芯片上所用的晶体管的制造措施相同。

-In2Se3 这种材料不仅具有铁电特点,还可以办理传统铁电材料平日用作绝缘体而不是半导体的问题,这个问题是因为所谓的宽“带隙”,也便是说,电流无法经由过程,也没有进行谋略。-In2Se3 的带隙要窄得多,在成为半导体的同时又不会丢掉铁电特点。

普渡大年夜学电气与谋略机工程系博士后钻研员司梦伟(Mengwei Si,音译),构造并测试了这种晶体管,发明其机能堪比现有的铁电场效应晶体管,并且经由过程更多的优化可以逾越它们。普渡大年夜学电气与谋略机工程系助理教授 Sumeet Gupta 以及博士钻研生 Atanu Saha 供给了建模支持。

司梦伟与叶培德的团队也与佐治亚理工学院的钻研职员相助,将 -In2Se3 构造到芯片上的一片空间中,这片空间也称为铁电地道结。工程师们可用它来提升芯片机能。12月9日,团队在2019年度国际电子设备会议上展示了这项成果。

以前,钻研职员们不停都无法构造高机能的铁电地道结,因其宽带隙使材料太厚,以至电流无法流过。然而 -In2Se3 的带隙要窄得多,是以材料厚度仅为10纳米,可容许更多电流流过。

叶教授表示,较多的电流让器件面积可缩小至几纳米,使芯片更密集、更节能。较薄的材料,以致薄至一层原子的厚度,也意味着地道结两侧的电极可以变小很多,从而有利于构造仿照人脑神经收集的电路。

关键字

芯片、晶体管、铁电材料

参考资料

【1】Mengwei Si, Atanu K. Saha, Shengjie Gao, 新蒲京澳门赌场网站Gang Qiu, Jingkai Qin, Yuqin Duan,新蒲京澳门赌场网站 Jie Jian, Chang Niu, Haiyan Wang, Wenzhuo Wu, Sumeet K. Gupta, Peide D. Ye. A ferroelectric semiconductor field-effect transistor. Nature Electronics, 2019; DOI: 10.1038/s41928-019-0338-7

【2】https://www.purdue.edu/newsroom/releases/2019/Q4/reorganizing-a-computer-chip-transistors-can-now-both-process-and-store-information.html

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