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新能源谷电子器件开发乐城:有望用于未来集成电路

TIME:2020-10-11   click:

摩尔定律源于一篇论文《把更多零件塞到集成电路里》,该论文预测半导体芯片上的晶体管密度平均每18-24个月翻一番。随着晶体管尺寸的缩小,其散热和芯片生产成本控制成为不可逾越的技术挑战。

王说,研究小组提出并实现了一种新型器件“能谷自旋”晶体管。该装置用能谷自旋自由度代替电荷作为信息编码的载体。能量谷自旋器件中数据的运行和传输可以不涉及电流,因此有望实现超低功耗。

实验表明,即使在极低的电流下,该装置也可以在不施加电压的情况下,对输出信号进行很好的控制。该装置对能量谷信息注入、传输和检测过程进行了优化和创新,使能量谷信息流在零偏压下独立于电流传输和调节。

为什么不能超越摩尔定律

我们的记者杨品平

为什么摩尔定律无法克服?王告诉记者,现代半导体器件主要依靠电荷来惩罚信息的表达、存储、传输和处置。“比如我们最基本的分量,三极管电流通过时表示为‘1’,电流不流动时表示为‘0’。”基于这种二进制信息表达逻辑,晶体管作为基本单元,通过控制电荷即电流的流动,可以完成信息处理、惩罚和计算等功能。但摩尔定律的一个焦点障碍是,只要有电流流过导体,焦耳热功耗的极限值就不会停止。“随着设备集成度的不断提高,它们的功耗也会越来越高。比如最先进的CPU在满功率运行时,其功率密度几乎和喷气燃烧尾焰的功率密度差不多。”

随着摩尔定律接近极限,传统晶体管器件进入了增长瓶颈。全世界的研究者都在寻找更小空间内计算能力更高的新材料。南京大学电子工程学院的王和石毅,浙江大学的和北京计算科学研究中心相互帮助开发了一种固态量子器件,可以实现室温下的能谷自旋流产生、传输、探测和控制等所有信息处理和惩罚效应。结果发表在《自然纳米技术》杂志上。

能古是什么?“能谷”是指半导体材料的能量-动量色散关系中的极值点,可以利用电子的“上下”能谷自旋作为开关晶体管。例如,在硫化锌中,能量的极值对不同的光偏振具有不同的形状和响应,允许它直接识别“0”和“1”。王说,虽然人们很早就意识到能谷自旋可以表达电荷或自旋等自由度的信息,但很难通过外场来控制能谷,现在也不可能用能谷自旋来制造晶体管等器件。

为新硅谷信息设备的发展奠定基础

该器件单元有望通过类似于CMOS(互补金属氧化物半导体)电路的结构集成到具有特定逻辑效率的超低功率谷值电子电路中。因为本研究首次提出了室温下能谷自旋的基本单位器件,为后摩尔时代新的能谷信息器件的成长奠定了基础,也展示了能谷信息器件可以应用于未来集成电路的可能性。

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