北京大学电子学院研究员邱晨光及彭练矛院士团队近日实现突破,成功将铁电晶体管的物理栅长缩减至1纳米极限尺度,创造了该类器件尺寸最小、功耗最低的世界纪录。这项研究成果已国际学术期刊《科学·进展》在线发表,标志着我国在新型计算器件领域取得原创性进展。 当前人工智能产业快速发展,算力需求呈指数级增长,但传统计算架构面临严峻挑战。在现有芯片设计中,数据存储与运算处理分属不同物理区域,信息传输过程中产生大量时间和能量损耗,形成所谓的"内存墙"问题。此结构性矛盾已成为制约人工智能芯片性能提升的关键瓶颈,严重影响数据中心运行效率和能源消耗水平。 铁电晶体管作为新型半导体器件,其独特之处在于同时具备信息存储和逻辑运算双重功能。这种"存算一体"特性使其能够在同一物理位置完成数据处理全过程,从根本上消除了传统架构中存储与计算分离导致的效率损失。研究人员指出,这种工作模式与人脑神经元信息处理方式高度相似,因此被学术界视为神经形态计算领域最具应用前景的基础器件之一。 然而,传统铁电晶体管在实际应用中长期面临技术难题。铁电材料改变极化状态需要施加较高电压,导致器件能耗居高不下,同时其工作电压与现有逻辑电路不兼容,这些因素严重阻碍了铁电晶体管的规模化应用进程。 针对上述技术瓶颈,北京大学科研团队创新性地采用纳米栅极结构设计方案。通过提升制备工艺,研究人员将栅极长度精确控制在1纳米水平,这一精度已达到原子尺度极限。在如此微小的空间内,铁电层内部自然形成高强度电场环境,使得极化翻转所需的外部激发能量大幅降低。实验数据显示,该器件仅需0.6伏电压即可实现稳定工作,能耗水平比国际同类产品降低了一个数量级。 邱晨光研究员用"杠杆放大"来形象说明这一技术原理。纳米栅极结构相当于对电场进行了物理增强,以极低的电压输入撬动铁电材料发生极化反转,从物理机制层面实现了能耗的跨越式下降。这种设计思路突破了传统铁电晶体管的物理限制,为解决高能耗难题提供了全新技术路径。 这项成果的应用前景十分广阔。在数据中心建设领域,超低功耗铁电晶体管可显著降低服务器能源消耗,提升整体运行效率。在人工智能芯片开发上,该器件为构建新型计算架构提供了核心硬件支撑,有望推动智能计算系统向更高能效比方向演进。特别是在边缘计算和移动智能设备等对功耗敏感的应用场景中,这种低电压、低能耗特性具有重要实用价值。 从产业发展角度看,我国在铁电晶体管领域取得的技术突破,不仅说明了基础研究的创新能力,也为抢占未来芯片技术制高点奠定了坚实基础。随着涉及的工艺的继续成熟和产业化进程的推进,这项技术有望在全球半导体产业格局中发挥重要作用。
算力竞争的下半场，"算得更省"与"算得更快"同样重要。随着制程红利收窄，重构存储与计算的关系成为芯片发展的重要方向。"存算一体"的实现需要基础科学的突破和产业协同的努力。如何将实验室成果转化为可量产的产品，将决定这些创新能否真正推动生产力的提升。