鐵電材料有望使計算機(jī)告別硅時代
鐵電材料有望使計算機(jī)告別硅時代?。?！
經(jīng)過幾十年的反復(fù)再造，硅晶體管開始顯現(xiàn)出了其發(fā)展的瓶頸。鐵電材料（Ferroelectric materials）可使計算機(jī)不再運(yùn)用數(shù)字邏輯進(jìn)行計算。
如這張彩色照片中所示，鐵電材料的這種魚脊形結(jié)構(gòu)或許可以使它適于作為晶體管使用。
經(jīng)過幾十年的反復(fù)再造，硅晶體管開始顯現(xiàn)出了其發(fā)展的瓶頸，整個行業(yè)都開始尋找它的替代品。目前，一種新的符合計算機(jī)行業(yè)使用要求的材料出現(xiàn)在人們面前。如果這種材料可以成功運(yùn)用于計算機(jī)領(lǐng)域，這將使計算機(jī)處理器不僅能有效提高能源利用率，而且能夠提高運(yùn)算能力和存儲能力。
經(jīng)過研究，研究人員發(fā)現(xiàn)，他們可以利用電荷在四種不同狀態(tài)之間進(jìn)行快速切換的鐵電材料來存儲數(shù)據(jù)。由這種材料制成的晶體管可以利用這些不同的電荷狀態(tài)表達(dá)比1和0更多的計算機(jī)數(shù)字邏輯基礎(chǔ)，而且它不需要外部供電即可保持這些電荷狀態(tài)，這種材料既可以處理信息也可儲存信息。
如今的硅晶體管已縮小到了納米級別，已經(jīng)達(dá)到性能極限，不能很好地處理功耗過高、散熱和速度等問題。
托馬斯·塞伊斯（Thomas N. Theis）是位于紐約約克鎮(zhèn)的IBM公司沃森（Watson）研究中心的科學(xué)家，他是一家工業(yè)財團(tuán)半導(dǎo)體研究集團(tuán)下屬的納米電子學(xué)研究創(chuàng)新計劃的執(zhí)行董事，他認(rèn)為，使用了這類處理器的產(chǎn)品都需要用各自不同的方式來克服這些挑戰(zhàn)。
加州大學(xué)伯克利分校的材料科學(xué)家萊恩·馬?。↙ane Martin）目前領(lǐng)導(dǎo)這項新研究。他指出，鐵電材料的一個主要優(yōu)勢在于，這種材料對于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來說并不是新生事物。富士通、德州儀器以及其他幾家公司都已經(jīng)制造出了鐵電存儲設(shè)備。
“我們只不過是將現(xiàn)有的這種材料進(jìn)行升級，如果有公司想要采用它，它不會像新材料那樣要十年才能實現(xiàn)規(guī)?；?，”馬丁這樣說道。
馬丁正與理論化學(xué)家安德魯·瑞普（Andrew Rappe）共同合作在賓夕法尼亞大學(xué)進(jìn)行建模并測試鐵電體。
與硅晶體管一樣，鐵電元件可以在不同狀態(tài)之間進(jìn)行切換來表達(dá)信息。但是切換的物理特性與硅晶體管是*不同的。鐵電體不是在傳導(dǎo)與絕緣狀態(tài)之間切換，而是切換電極，即改變電荷在材料中的位置。
鐵電材料具有天然的電極，可以通過電場來改變電極方向。到目前為止，切換只需要幾納秒，對于數(shù)據(jù)存儲來說這已足夠快了，但對于數(shù)據(jù)處理而言，這樣的速度還是太慢，而這需要消耗相當(dāng)多的能量。
瑞普預(yù)測，通過增大鐵電晶體一定角度并從另一個角度施加電場，鐵電材料的切換會發(fā)生改變。除了上下兩極切換，還有一種瑞普稱為“次狀態(tài)”的中間狀態(tài)。
馬丁對用各種不同鐵電材料制作的元件進(jìn)行測試，包括鋯鈦酸鉛。在測試中，當(dāng)狀態(tài)從上電極狀切換到次狀態(tài)再到下電極狀態(tài)時，與從上電極直接切換到下電極相比，它展示出了更快的切換速度，而且只需要較低的電壓。測試結(jié)果公布在了《Nature Materials》雜志上。
馬丁指出，這種鐵電材料的切換速度比常規(guī)設(shè)計至少快了兩至三倍。
IBM的塞伊斯表示，這項測試研究的結(jié)果似乎表明了，我們對這些材料的了解取得了“非常重大的進(jìn)步”。
馬丁表示，他和瑞普希望，不僅僅局限于將鐵電材料應(yīng)用于存儲設(shè)備上。他們的一個想法是，將這些鐵電材料與硅材料進(jìn)行結(jié)合，從而制造出新型晶體管。這種新設(shè)備將會節(jié)能，會將計算處理與存儲結(jié)合為一體。
“如果發(fā)生斷電現(xiàn)象，你可在電源恢復(fù)后繼續(xù)原來的工作，這對于家庭用戶而言十分便利，而且節(jié)省了數(shù)據(jù)中心的開支，”馬丁這樣說道。
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