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芯片或迎革命性突破 新型智能晶体管可执行不同任务

2021年12月22日 16:11 来源:财联社
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财联社(上海,编辑黄君芝)讯,通常,计算机芯片由电子元件组成,一种元器件总是做同样的事情。然而,在未来,更大的灵活性将成为可能:新型的自适应晶体管可以在运行时进行动态切换,以执行不同的逻辑任务。这从根本上改变了芯片设计的可能性,并给人工智能、神经网络,甚至可以处理0和1以外更多数值的逻辑领域开辟了全新的机会。

为了实现这一目标,维也纳工业大学(TU Wien)的科学家们没有依靠通常的硅技术,而是依靠锗。他们成功用锗制造出了世界上最灵活的晶体管。相关研究成果发表在了科学期刊《ACS纳米》杂志上。

芯片或迎革命性突破 新型智能晶体管可执行不同任务

研究人员表示,“锗的特殊性能和专用程序门电极的使用使我们有可能创造出一个新元件的原型,可能会开创芯片技术的新时代。”

晶体管是每一个现代电子设备的基础:它是一个允许电流流动或阻止电流流动的微小部件,这取决于控制电极上是否施加了电压。这使得建立简单的逻辑电路和存储成为可能。而电荷如何在晶体管中传输则取决于所使用的材料。要么有携带负电荷的自由移动的电子,要么个别原子中可能缺少一个电子,所以这个地方带正电。这就被称为"空穴",它们也可以在材料中移动。

在维也纳大学的新型晶体管中,电子和空穴都以一种非常特殊的方式同时被操纵:“我们用一根极细的锗线连接两个电极,通过极其干净的高质量接口连接两个电极。在锗段上方放置了一个像传统晶体管中的门电极。这种晶体管还有一个控制电极,它被放置在锗和金属的界面上。它可以动态地对晶体管的功能进行编程。”

芯片或迎革命性突破 新型智能晶体管可执行不同任务

根据研究人员的说法,这种设备结构使其有可能分别控制电子和空穴,这是因为锗有一个非常特殊的电子结构:当你施加电压时,电流最初会增加,正如你所期望的那样。然而,在某个阈值之后,电流再次减少,这被称为负差分电阻。在控制电极的帮助下,研究人员可以调节这个阈值在哪个电压上。这导致了新的自由度,可以用它来赋予晶体管目前所需要的特性。

例如,以这种方式,一个与非门可以切换到一个或非门。研究人员说,“到目前为止,电子学的智能只是简单地来自于几个晶体管的互连,每个晶体管只有一个相当原始的功能。在未来,这种智能可以转移到新型晶体管本身的适应性上。”

“以前需要160个晶体管的算术运算,由于适应性的提高,24个晶体管就可以实现。通过这种方式,电路的速度和能量效率也可以显著提高。”他们补充道。

这些新的可能性对于人工智能领域的应用特别有趣:“我们的人类智能是基于神经细胞之间动态变化的回路。有了新的自适应晶体管,现在可以有针对性地直接改变芯片上的电路。多值逻辑也可以以这种方式实现,即电路不仅工作于0和1,而且工作于更大数量的可能状态。”

此外,这种新技术的快速工业应用也是现实的:所使用的材料已经在今天的半导体工业中使用,不需要完全新的制造工艺。在某些方面,这项技术甚至会比以前更简单:今天,半导体材料被掺杂,也就是被单个的外来原子富集。这对于基于锗的晶体管来说是不必要的,它可以使用纯锗。

研究人员表示,“我们不想用我们的新晶体管完全取代成熟的硅晶体管技术,那将是自以为是的。未来,这项新技术更有可能作为附加组件被整合到计算机芯片中。在某些应用中,使用自适应晶体管会更节能,也更方便。”

(责任编辑:CF011)

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