本刊翻譯| 李玲珊

 

    鐵電材料的原子結構展現了所謂的“負電流容量”效果。如果這一結構能成功應用于晶體管的構成，將會大幅度減少計算機處理器和其他由晶體管構成的設備的用電量。

 

    --Suraj S. Cheema

 

    在今天出版的《自然材料》雜志中， 有一篇文章稱首次直接觀測到了“負電容” 現象。上述現象長期存在人們的假設中， 但卻又難以捉摸。上述文章描述一種電荷與外加在某種鐵電材料上的電壓所發生的獨特反應，且上述反應為大幅度降低晶體管和含晶體管設備的用電量帶來了曙光。

 

    電容指是某種材料存儲電荷的能力。事實上，在幾乎所有的電子器件中都能找到常規的電容器。當向這些電容器施加一定的電壓時，它們就開始存儲電荷。但是， 上述新發現卻呈現出一種異常反應：當增大外加電壓時，所存儲的電荷反而減少。“負電容”現象也因此得名。

 

    雜志的首席作者Asif Khan 稱：“如果將這一特性整合到晶體管中，其耗電量將至少降低一個數量級甚至更多。”這將會帶來更加持久的手機電池，各種類型的低能耗計算機。更重要的是，微處理器自誕生之日起就定義了其后的數字革命，而這一成果可以將處理器更小、更快的發展趨勢延長幾十年。

 

    如果沒有類似的重大突破，由于運行在納米尺度下的晶體管的實際需求的限制， 處理器微型化和多功能化的趨勢就會受到威脅。盡管微型開關能夠做得更小，但在開和關操作中可節省的電量也就那么多。上述限制由“波爾茲曼電子分布”所決定， 也常為稱為“波爾茲曼限制”。因為這些晶體管必須消耗一定量的電量，當超小型晶體管被太過緊密地排列在一起時，它們所散發出的熱量則無法及時發散出去，從而導致晶體管自身受損。

 

    大約再過十年，工程師將窮盡辦法也無法將更多計算能力整合到更小的空間內， 這無論是對于設備制造商、傳感器開發商還是沉迷于更小、更強大設備的公眾來說都是噩夢。

 

    上述研究在加州大學伯克利分校完成， 其具體負責人是社會前沿信息技術研究中心（CITRIS，Center For Information Technology Research In The Interest Of Society）研究員、電氣工程與計算機科學學院副教授Sayeef Salahuddin。由Sayeef Salahuddin 教授牽頭， 其創造性地提出了一種可能克服“波爾茲曼限制”的途徑。上述目的的實現要依靠某些材料通過自身的特性來存儲能量，并利用上述能量來放大輸入電壓。上述方法在實際操作中有可能“騙過”晶體管，使其認為已經接收到了運行所需的最小電壓。如果上述目的能夠實現，其結果就是：用于將晶體管打開或關閉的能量得以減少。而開關晶體管是所有計算機處理核心中最常用的操作。

 

    用于實現“負電容”的材料屬于鐵電晶體類，關于其最早的記載可以追溯至上世紀40 年代。在內存應用和商業存儲技術方面，這些材料都經歷了長期的研究過程。此外，鐵電材料也經常用于頻率控制電路許多微機電系統應用中。但是，將上述材料應用于節能晶體管中還是由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。

 

    在過去的6 年里，作為Salahuddin 在伯克利帶的第一批畢業生之一，Khan 利用脈沖激光制備出了許多種鐵電材料并設計和改進了多種獨創性方法來測試它們的負電容性能。

 

    除了用于改變晶體管工作方式，“負電容”也可能被用于開發高密度記憶存儲設備、超級電容器、無線圈振蕩器和共鳴器以及從環境中獲得能量。

 

    “作為減少存儲一比特信息所消耗焦耳量的策略之一，鐵電材料的”負電容“ 特性被充分利用了起來。”論文的另一作者，加州大學伯克利分校材料學、工程學和物理學教授Ramamoorthy Ramesh 說道。Ramesh 花了幾十年時間用于研究鐵電材料和設備結構的特性，以達到操控它們的目的。他的前期開創性工作是整個團隊的發現打下了堅實的基礎。

 

    “我們已經啟動了一個名為”attojoule-per-bit“的項目，努力使運行一比特信息的總能耗減少至1 attojoule（10-18）。要實現每比特信息能耗量那么少的目標，我們需要充分利用所有可能的途徑。鐵電材料的”負電容“將會是非常重要的一條途徑。”

 

    這項工作由于CITRIS 的馬維爾納米制造實驗室（Marvell Nanofabrication Laboratory）的支持而得以進行。上述實驗室位于加州大學伯克利分校內，其特別注重于鼓勵新材料與新工序的研發與利用。作為世界上同類型實驗中最頂尖的之一， 該實驗室是許多劃時代技術的誕生地和發源地。這其中，三維鰭式場效應晶體管（three-dimensional FinFET transistor）是其中典型的代表，其引導了打破常規晶體管限制的大潮流。“如今，所有的下一代微型處理器或計算機所使用的晶體管都是鰭式場效應晶體管”馬維爾納米制造實驗室主任吳銘教授說道。

 

    “CITRIS 的馬維爾納米制造實驗室擁有用于制備導體裝置和集成電路的最先進設備。”吳教授說道。“但我們充分利用了這些設備和能力，并將它們應用于一些最新的材料上。上述材料由于太過新穎，以至于工業制造實驗室不會觸及到它們。在我們這里， 類似于”負電容“鐵電材料不僅會得到普遍歡迎，還會得到積極的鼓勵。”

 

    “下一步我們將制備出真正利用到了上述新現象的晶體管。我們必須確保上述晶體管與硅制程是可兼容的、可制備的。此外， 我們還需確保在原則上已經被證明可行的測試技術具備可實際操作性和可擴展性。”