未來智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)超長待機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)傳感器電池續(xù)航數(shù)年、可穿戴設(shè)備無需頻繁充電——這些關(guān)于低功耗電子產(chǎn)品的美好愿景，正因一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)突破而加速照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。北京大學(xué)電子學(xué)院邱晨光研究員—彭練矛院士團(tuán)隊(duì)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(guān)”，能在極低電壓下完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shè)備提供了關(guān)鍵條件。相關(guān)研究成果日前在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)·進(jìn)展》。

“要理解這個(gè)‘開關(guān)’有多神奇，得先聊聊如今芯片面臨的一大難題：電腦和手機(jī)處理器（CPU）在處理數(shù)據(jù)時(shí)，存儲(chǔ)和計(jì)算是分開的，數(shù)據(jù)在兩個(gè)模塊之間來回搬運(yùn)，不僅費(fèi)時(shí)，也很費(fèi)電。就像廚師做菜時(shí)，每放一次調(diào)料都要跑回倉庫拿，次數(shù)多了，時(shí)間和體力都浪費(fèi)了。鐵電晶體管這種器件之所以被寄予厚望，就是因?yàn)樗馨选畟}庫’和‘灶臺(tái)’合二為一：既能計(jì)算，又能存儲(chǔ)，斷電了信息也不會(huì)丟。但它有個(gè)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(yùn)算電路，來回搬運(yùn)數(shù)據(jù)途中需要頻繁轉(zhuǎn)換電壓。”邱晨光介紹，所需電壓過大的問題嚴(yán)重限制了鐵電存儲(chǔ)器在高能效AI芯片、便攜式智能設(shè)備等對(duì)功耗敏感場(chǎng)景中的規(guī)模化應(yīng)用。

研究團(tuán)隊(duì)的突破，在于用一種極其巧妙的辦法解決了這個(gè)矛盾。他們把晶體管的關(guān)鍵部件——柵極長度縮小至1納米?！斑@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(gè)原子級(jí)別尺度上，我們打造出了一個(gè)極細(xì)的‘電場(chǎng)探針’。當(dāng)給這個(gè)探針通上電，神奇的事情發(fā)生了：電場(chǎng)能量會(huì)像水流匯聚到針尖一樣，高度集中在一個(gè)點(diǎn)上。結(jié)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(dòng)這個(gè)開關(guān)，完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。而傳統(tǒng)的器件在同樣的電壓下，電場(chǎng)能量在空間上是分散的，根本撥不動(dòng)這個(gè)開關(guān)?！鼻癯抗獗硎尽?/span>

“這就好比用極細(xì)的針把力量集中在一點(diǎn)上，很容易就撬動(dòng)了原本需要大力氣才能搬動(dòng)的重物?！鼻癯抗饨榻B，這種設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了超低功耗下的數(shù)據(jù)高效存儲(chǔ)。

這項(xiàng)突破的意義，不僅僅在于好看的實(shí)驗(yàn)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(guān)能耗，更是比國際最好水平降低了整整一個(gè)數(shù)量級(jí)。這意味著，如果未來這項(xiàng)技術(shù)走向?qū)嵱?，搭載這種芯片的手機(jī)、自動(dòng)駕駛儀、云端服務(wù)器等，可用極少電量完成大量計(jì)算和存儲(chǔ)任務(wù)?！皩?duì)于正在飛速發(fā)展的AI技術(shù)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>