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《自然》:工程晶体可减少计算机运行功率,半导体行业迎来了新的技术加持!

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 Sue Xiao • 2022-04-13 11:04:36 来源:前瞻网 E3217G1
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计算机可能越来越小,功能越来越强,但它们需要大量的能源来运行。美国用于计算的能源消耗总量在过去十年中急剧上升,并迅速接近其他行业,如交通。

在发表在《自然》上的一项研究中,加州大学伯克利分校的工程师们描述了在晶体管(构成计算机组成部分的微小电子开关)的设计中的一项重大突破,它可以在不牺牲速度、尺寸或性能的情况下大大降低其能源消耗。该组件被称为栅极氧化物,在晶体管的开关中起着关键作用。

该研究的高级作者、加州大学伯克利分校台积电电气工程和计算机科学特聘教授Sayeef Salahuddin说:“我们已经证明,我们的栅极氧化物技术比市面上的晶体管更好。今天价值数万亿美元的半导体行业所能做到的,我们基本上可以击败他们。”

这种效率的提高是通过一种叫做负电容的效应实现的,它有助于减少在材料中储存电荷所需的电压。Salahuddin在2008年从理论上预测了负电容的存在,并在2011年首次在一个铁电晶体中展示了这种效应。

这项新的研究显示了如何在一种由氧化铪和氧化锆的分层堆叠组成的工程晶体中实现负电容,这种晶体很容易与先进的硅晶体兼容。通过将这种材料纳入模型晶体管,该研究展示了负电容效应能够大大降低控制晶体管所需的电压量,并因此降低计算机所消耗的能源量。

为了测试超晶格结构作为栅极氧化物的性能如何,该团队制作了短通道晶体管并测试了它们的能力。

测试发现,与现有的晶体管相比,这些晶体管需要的电压将减少约30%,同时保持半导体行业的基准,并且不损失可靠性。

该研究论文题为"Ultrathin ferroic HfO2–ZrO2 superlattice gate stack for advanced transistors",已发表在《自然》期刊上。

前瞻经济学人APP资讯组

论文原文:https://www.nature.com/articles/s41586-022-04425-6

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