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新技术美国德克萨斯大学开发出一种新型多值

发布时间:2020-08-14 08:12:04 编辑:笔名
新技术!美国德克萨斯大学开发出一种新型多值逻辑晶体管

近几十年来,由于计算机芯片制造商们学会了如何缩小单个晶体管(表达数字信息的微型电气开关)的尺寸,计算机以及相似的电子器件变得越来越小。科学家们一直在致力于让晶体管变得尽可能的小,这样就使得每片芯片上容纳的晶体管数目越来越多。“摩尔定律”指出:“当价格不变时,集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。”据美国德克萨斯大学达拉斯分校官网近日报道,该校研究人员在氧化锌的基础上,开发出了一种新型多值逻辑晶体管,使每个晶体管可以表示更多的信息。

晶体管(图片来源:)

可是,如今摩尔定律却正面临严峻挑战。科研人员们正在快速逼近晶体管尺寸的物理极限,最近的晶体管模型的宽度大约低至10纳米(约30个原子)。美国德克萨斯大学达拉斯分校材料科学与工程系教授赵京宰(Kyeongjae Cho)博士表示:“电子器件的处理能力来源于在单个计算机芯片上相互连接的几亿甚至几十亿个晶体管。但是,我们正在迅速逼近晶体管尺寸的下限。”

摩尔定律-集成电路芯片上晶体管数量(1976-2016)(图片来源:)

为了进一步提升处理速度,微电子行业正在寻找替代技术。赵教授的研究在线发表在4月30日的《自然通信(Nature Communications)》期刊上,它将提供一个拓展晶体管“信息量”的解决方案。传统晶体管表示的信息只有两个值。作为开关来说,晶体管要么开要么关,转化为二进制语言就是0和1。

(图片来源:谢菲尔德大学)

一种增加处理能力却不增加晶体管数量的方法,就是引入二进制器件的“开关状态”之间的中间状态,从而增加每个晶体管可以表达的信息量。一种基于这个原理的晶体管就是所谓的“多值逻辑晶体管”,它将在单个器件上展开更多操作并处理更多信息。

赵教授表示:“多值逻辑晶体管并不是新概念,制造类似器件的尝试已经有过许多次,而我们实现了它。”通过理论、设计与仿真,德克萨斯大学达拉斯分校赵教授的研究小组在氧化锌的基础上,开发了多值逻辑晶体管的基础物理规则。他们的韩国合作伙伴成功地制造并评估了原型器件的性能。

(图片来源:德克萨斯大学达拉斯分校)

从电子学角度来说,赵教授的器件具有在0与1之间稳定且可靠的两个中间状态,将每个晶体管表示的逻辑数值的数量从两个提升至三到四个。赵教授及其同事们开发的技术采用了一种新结构,即两种形式的氧化锌组合而成的复合物纳米层。然后,它在超晶格中与其他材料的层整合到了一起。

下图所示:左图展示了在新型晶体管中两种形式的氧化锌组合而成的复合物纳米层:氧化锌晶体(在红圈内)嵌入到非晶体氧化锌中。右图是一个展示电子密度分布的计算机结构模型。

(图片来源:德克萨斯大学达拉斯分校)

研究人员们发现,他们通过在非晶体氧化锌中嵌入氧化锌晶体(也称为“量子点”),满足了多值逻辑的物理要求。这些组成非晶体的原子并不像它们在晶体中那样严格有序地排列。

赵教授表示,这项新研究的意义非常显著,不仅因为这项技术兼容现有的计算机芯片配置,也因为它可以在现今的计算机与量子计算机(计算机能力的下一个里程碑)之间架起桥梁。

传统计算机采用一连串精确的0与1来进行计算,而量子计算机的基础逻辑单元更加灵活多变,它们的值可以同时是0与1的结合,或者是介于二者之间的任何值。尽管目前量子计算机尚未进行大规模商用,但是理论上来说,量子计算机能比目前的计算机,存储更多的信息,更快地解决特定问题。

"IBM Q"量子计算机系统(图片来源:IBM研究院)

赵教授表示:“包含多值逻辑的设备将比传统计算机更快,因为它运算能力超越了二进制逻辑单元。通过量子单元,你将具有连续的值。”

他继续说道:“晶体管是一项非常成熟的技术,量子计算机却离商业化还很遥远,这是一个巨大的鸿沟。所以我们应该如何跨越这个鸿沟呢?我们需要某种演进的途径,即一项在二进制与无限自由度之间架起桥梁的技术。我们的研究仍然是基于现有的器件技术,所以它并不是像量子计算机那样的革命性技术,但是它在朝着这个方向演进。”

赵教授已经为这项技术申请了专利。他表示:“通过设计这种材料,我们发现我们可以创造出一种新型电子结构,带来这种多值逻辑特性。氧化锌是一种著名的材料,它往往会形成晶体和非晶体,所以它是我们开始时的一个显而易见的选择,但是它可能并不是最佳的材料。随着我们尝试优化这项技术,我们下一步将研究这种特性在其他材料中有多普遍。”“展望未来,我也想看到我们如何将这项技术与量子器件联系起来。”

文章来源:环球创新智慧

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