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“我們將鐵電晶體管的物理柵長縮減到了1納米極限?！?月23日，北京大學(xué)電子學(xué)院研究員邱晨光告訴科技日?qǐng)?bào)記者，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地制備了迄今尺寸最小、功耗最低的鐵電晶體管，有望為AI芯片算力和能效提升提供核心器件支撐。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《科學(xué)·進(jìn)展》上。

據(jù)介紹，當(dāng)前AI算力普遍面臨“內(nèi)存墻”問題，即計(jì)算時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與運(yùn)算分處于不同區(qū)域，“隔墻”調(diào)用嚴(yán)重制約了AI芯片性能提升。

與傳統(tǒng)半導(dǎo)體邏輯晶體管不同，鐵電晶體管（FeFET）同時(shí)兼具存儲(chǔ)和計(jì)算能力?！八袢四X的神經(jīng)元一樣，將存儲(chǔ)和計(jì)算功能合二為一，有望徹底打破傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)中‘存儲(chǔ)’與‘計(jì)算’分離導(dǎo)致的效率瓶頸。”邱晨光介紹，鐵電晶體管“存算一體”的能力更符合AI芯片進(jìn)化的方向，業(yè)內(nèi)將其視為神經(jīng)形態(tài)計(jì)算方面最具潛力的新型基礎(chǔ)器件。

然而，傳統(tǒng)鐵電晶體管存在能耗過高、邏輯電壓不匹配等短板限制了其大規(guī)模應(yīng)用。為此，北京大學(xué)邱晨光研究員—彭練矛院士團(tuán)隊(duì)，利用納米柵極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，巧妙解決了鐵電材料“改變極化狀態(tài)”需要高電壓高能耗的問題。

“我們持續(xù)精進(jìn)工藝，將鐵電晶體管的物理柵長縮減至極限1納米，這一精度達(dá)到原子尺度，促成鐵電層內(nèi)部形成高強(qiáng)度電場(chǎng)，僅需極少外部能量（0.6V電壓）激發(fā)，即可輕松翻轉(zhuǎn)鐵電極化?！鼻癯抗獗硎?，這一技術(shù)打破了傳統(tǒng)鐵電晶體管的物理限制，使得能耗比國際最好水平整整降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

“納米柵的設(shè)計(jì)就好像是對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行了‘杠桿放大’，能夠以極低的電壓代價(jià)，驅(qū)動(dòng)鐵電材料發(fā)生極化反轉(zhuǎn)，從而在物理機(jī)制上實(shí)現(xiàn)了能耗的跨越式降低?！鼻癯抗膺M(jìn)一步解釋，有著超低工作電壓與極低能耗特性的納米柵鐵電晶體管，不僅能為構(gòu)建高能效數(shù)據(jù)中心提供核心器件方案，也為發(fā)展下一代高算力人工智能芯片奠定關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。

（受訪團(tuán)隊(duì)供圖）