本刊翻译| 李玲珊

 

    铁电材料的原子结构展现了所谓的“负电流容量”效果。如果这一结构能成功应用于晶体管的构成，将会大幅度减少计算机处理器和其他由晶体管构成的设备的用电量。

 

    --Suraj S. Cheema

 

    在今天出版的《自然材料》杂志中， 有一篇文章称首次直接观测到了“负电容” 现象。上述现象长期存在人们的假设中， 但却又难以捉摸。上述文章描述一种电荷与外加在某种铁电材料上的电压所发生的独特反应，且上述反应为大幅度降低晶体管和含晶体管设备的用电量带来了曙光。

 

    电容指是某种材料存储电荷的能力。事实上，在几乎所有的电子器件中都能找到常规的电容器。当向这些电容器施加一定的电压时，它们就开始存储电荷。但是， 上述新发现却呈现出一种异常反应：当增大外加电压时，所存储的电荷反而减少。“负电容”现象也因此得名。

 

    杂志的首席作者Asif Khan 称：“如果将这一特性整合到晶体管中，其耗电量将至少降低一个数量级甚至更多。”这将会带来更加持久的手机电池，各种类型的低能耗计算机。更重要的是，微处理器自诞生之日起就定义了其后的数字革命，而这一成果可以将处理器更小、更快的发展趋势延长几十年。

 

    如果没有类似的重大突破，由于运行在纳米尺度下的晶体管的实际需求的限制， 处理器微型化和多功能化的趋势就会受到威胁。尽管微型开关能够做得更小，但在开和关操作中可节省的电量也就那么多。上述限制由“波尔兹曼电子分布”所决定， 也常为称为“波尔兹曼限制”。因为这些晶体管必须消耗一定量的电量，当超小型晶体管被太过紧密地排列在一起时，它们所散发出的热量则无法及时发散出去，从而导致晶体管自身受损。

 

    大约再过十年，工程师将穷尽办法也无法将更多计算能力整合到更小的空间内， 这无论是对于设备制造商、传感器开发商还是沉迷于更小、更强大设备的公众来说都是噩梦。

 

    上述研究在加州大学伯克利分校完成， 其具体负责人是社会前沿信息技术研究中心（CITRIS，Center For Information Technology Research In The Interest Of Society）研究员、电气工程与计算机科学学院副教授Sayeef Salahuddin。由Sayeef Salahuddin 教授牵头， 其创造性地提出了一种可能克服“波尔兹曼限制”的途径。上述目的的实现要依靠某些材料通过自身的特性来存储能量，并利用上述能量来放大输入电压。上述方法在实际操作中有可能“骗过”晶体管，使其认为已经接收到了运行所需的最小电压。如果上述目的能够实现，其结果就是：用于将晶体管打开或关闭的能量得以减少。而开关晶体管是所有计算机处理核心中最常用的操作。

 

    用于实现“负电容”的材料属于铁电晶体类，关于其最早的记载可以追溯至上世纪40 年代。在内存应用和商业存储技术方面，这些材料都经历了长期的研究过程。此外，铁电材料也经常用于频率控制电路许多微机电系统应用中。但是，将上述材料应用于节能晶体管中还是由Salahuddin 于2008 年首次提出，就在他以助理教授的身份加入伯克利之前。

 

    在过去的6 年里，作为Salahuddin 在伯克利带的第一批毕业生之一，Khan 利用脉冲激光制备出了许多种铁电材料并设计和改进了多种独创性方法来测试它们的负电容性能。

 

    除了用于改变晶体管工作方式，“负电容”也可能被用于开发高密度记忆存储设备、超级电容器、无线圈振荡器和共鸣器以及从环境中获得能量。

 

    “作为减少存储一比特信息所消耗焦耳量的策略之一，铁电材料的”负电容“ 特性被充分利用了起来。”论文的另一作者，加州大学伯克利分校材料学、工程学和物理学教授Ramamoorthy Ramesh 说道。Ramesh 花了几十年时间用于研究铁电材料和设备结构的特性，以达到操控它们的目的。他的前期开创性工作是整个团队的发现打下了坚实的基础。

 

    “我们已经启动了一个名为”attojoule-per-bit“的项目，努力使运行一比特信息的总能耗减少至1 attojoule（10-18）。要实现每比特信息能耗量那么少的目标，我们需要充分利用所有可能的途径。铁电材料的”负电容“将会是非常重要的一条途径。”

 

    这项工作由于CITRIS 的马维尔纳米制造实验室（Marvell Nanofabrication Laboratory）的支持而得以进行。上述实验室位于加州大学伯克利分校内，其特别注重于鼓励新材料与新工序的研发与利用。作为世界上同类型实验中最顶尖的之一， 该实验室是许多划时代技术的诞生地和发源地。这其中，三维鳍式场效应晶体管（three-dimensional FinFET transistor）是其中典型的代表，其引导了打破常规晶体管限制的大潮流。“如今，所有的下一代微型处理器或计算机所使用的晶体管都是鳍式场效应晶体管”马维尔纳米制造实验室主任吴铭教授说道。

 

    “CITRIS 的马维尔纳米制造实验室拥有用于制备导体装置和集成电路的最先进设备。”吴教授说道。“但我们充分利用了这些设备和能力，并将它们应用于一些最新的材料上。上述材料由于太过新颖，以至于工业制造实验室不会触及到它们。在我们这里， 类似于”负电容“铁电材料不仅会得到普遍欢迎，还会得到积极的鼓励。”

 

    “下一步我们将制备出真正利用到了上述新现象的晶体管。我们必须确保上述晶体管与硅制程是可兼容的、可制备的。此外， 我们还需确保在原则上已经被证明可行的测试技术具备可实际操作性和可扩展性。”