未來智能手機實現(xiàn)超長待機、物聯(lián)網(wǎng)傳感器電池續(xù)航數(shù)年、可穿戴設備無需頻繁充電——這些關于低功耗電子產(chǎn)品的美好愿景，正因一項關鍵技術突破而加速照進現(xiàn)實。北京大學電子學院邱晨光研究員—彭練矛院士團隊成功研制出一種名為“納米柵超低功耗鐵電晶體管”的新器件——它像一只能量消耗極低的“記憶開關”，能在極低電壓下完成數(shù)據(jù)存儲和讀取，成為國際上迄今功耗最低的鐵電晶體管，為打造更省電的AI芯片和智能設備提供了關鍵條件。相關研究成果日前在線發(fā)表于國際學術期刊《科學·進展》。

“要理解這個‘開關’有多神奇，得先聊聊如今芯片面臨的一大難題：電腦和手機處理器（CPU）在處理數(shù)據(jù)時，存儲和計算是分開的，數(shù)據(jù)在兩個模塊之間來回搬運，不僅費時，也很費電。就像廚師做菜時，每放一次調(diào)料都要跑回倉庫拿，次數(shù)多了，時間和體力都浪費了。鐵電晶體管這種器件之所以被寄予厚望，就是因為它能把‘倉庫’和‘灶臺’合二為一：既能計算，又能存儲，斷電了信息也不會丟。但它有個致命短板：操作它需要的電壓與功耗太高，沒法直接匹配外部運算電路，來回搬運數(shù)據(jù)途中需要頻繁轉換電壓。”邱晨光介紹，所需電壓過大的問題嚴重限制了鐵電存儲器在高能效AI芯片、便攜式智能設備等對功耗敏感場景中的規(guī)?；瘧?。

研究團隊的突破，在于用一種極其巧妙的辦法解決了這個矛盾。他們把晶體管的關鍵部件——柵極長度縮小至1納米。“這是什么概念？一根頭發(fā)絲的直徑大約是8萬到10萬納米。在這個原子級別尺度上，我們打造出了一個極細的‘電場探針’。當給這個探針通上電，神奇的事情發(fā)生了：電場能量會像水流匯聚到針尖一樣，高度集中在一個點上。結果就是，只需要施加0.6伏的微小電壓，就能用‘四兩撥千斤’的方式，輕松撥動這個開關，完成數(shù)據(jù)存儲。而傳統(tǒng)的器件在同樣的電壓下，電場能量在空間上是分散的，根本撥不動這個開關?！鼻癯抗獗硎尽?/span>

“這就好比用極細的針把力量集中在一點上，很容易就撬動了原本需要大力氣才能搬動的重物。”邱晨光介紹，這種設計打破了傳統(tǒng)鐵電晶體管的物理限制，讓電壓效率提升至125%，首次突破了鐵電材料的理論極限，真正實現(xiàn)了超低功耗下的數(shù)據(jù)高效存儲。

這項突破的意義，不僅僅在于好看的實驗數(shù)據(jù)。彭練矛表示，0.6伏的工作電壓，比現(xiàn)在主流芯片用的0.7伏還要低；而它的開關能耗，更是比國際最好水平降低了整整一個數(shù)量級。這意味著，如果未來這項技術走向?qū)嵱?，搭載這種芯片的手機、自動駕駛儀、云端服務器等，可用極少電量完成大量計算和存儲任務?！皩τ谡陲w速發(fā)展的AI技術來說，這更是一劑良藥——如今的大模型和芯片都是‘電老虎’，能耗墻已經(jīng)成了繼續(xù)提升算力的最大阻礙。而這種‘越小越省電、越小越好用’的新器件，為突破這堵墻打開了一扇新的大門?！?/span>