记者从北京大学获悉,该校电子学院邱晨光研究员与彭练矛院士团队在微电子器件领域取得重要进展,成功研制出国际上功耗最低的铁电晶体管器件。
相关研究成果已在国际学术期刊《科学·进展》发表,标志着我国在新型低功耗存储器件研发方面走在世界前列。
当前,全球芯片产业正面临严峻的能耗挑战。
传统计算架构采用存储与计算分离的冯·诺依曼结构,数据需要在处理器与存储器之间频繁传输,这种"存算分离"模式导致大量能量消耗在数据搬运过程中。
随着人工智能、物联网等技术快速发展,计算需求呈指数级增长,芯片能耗问题已成为制约产业进步的关键瓶颈。
业界普遍认为,发展存算一体技术是破解这一困局的重要方向。
铁电晶体管作为实现存算一体的核心器件,具备非易失性存储与逻辑运算双重功能,能够在同一位置完成数据存储和计算操作,从根本上减少数据搬运带来的能耗损失。
然而,传统铁电晶体管存在操作电压过高的技术瓶颈,通常需要数伏特的驱动电压,远高于现代集成电路的工作电压,这使得器件难以与外围电路直接兼容,严重限制了其在低功耗场景中的规模化应用。
北京大学研究团队的创新之处在于,通过将晶体管栅极长度缩减至1纳米这一原子级尺度,构建出超精细的电场调控结构。
在如此微小的尺度下,电场能量呈现出高度集中的分布特性,形成类似"尖端放电"的物理效应。
这种设计使得器件仅需0.6伏的超低电压即可完成极化翻转,实现数据的写入与擦除操作。
测试数据显示,该器件的电压效率达到125%,首次突破了铁电材料的理论极限值,开关能耗较国际最优水平降低了一个数量级。
从技术参数来看,0.6伏的工作电压已低于目前主流芯片普遍采用的0.7伏标准,这意味着新型器件可以与现有集成电路工艺实现无缝对接,无需额外的电压转换电路。
这一特性大幅降低了系统集成的复杂度和成本,为铁电存储器的产业化应用扫清了重要障碍。
业内专家指出,这项技术突破具有多重战略意义。
在消费电子领域,搭载该技术的智能终端设备续航能力有望显著提升,智能手机、可穿戴设备等产品的使用体验将得到根本性改善。
在物联网领域,传感器节点可实现数年免维护运行,大幅降低大规模部署的运维成本。
在数据中心和云计算领域,服务器芯片的能效比提升将直接转化为运营成本的下降和碳排放的减少。
更为重要的是,该技术为应对人工智能算力需求爆发式增长提供了新的解决方案。
当前大规模语言模型和深度学习算法对算力的需求持续攀升,数据中心能耗已成为产业发展的主要制约因素。
存算一体架构结合超低功耗器件,有望在保持高性能的同时大幅降低能耗,突破所谓的"能耗墙"限制,为人工智能技术的可持续发展开辟新路径。
从产业发展角度观察,我国在新型存储器件领域的持续投入正在转化为技术优势。
近年来,国内科研机构和企业在铁电存储、相变存储、阻变存储等新型存储技术方向取得系列突破,逐步形成了从基础研究到工程应用的完整创新链条。
此次北京大学团队的成果,进一步巩固了我国在这一战略性技术领域的领先地位。
在全球科技竞争聚焦关键核心技术的当下，这项源于基础研究的突破再次印证了"小器件撬动大产业"的创新规律。
随着各国加速布局后摩尔时代半导体技术，我国科研团队在纳米电子器件领域的持续突破，不仅为信息产业升级储备关键技术，更展现出从跟跑转向并跑乃至领跑的战略潜力。
未来需进一步加强产学研协同，推动实验室成果向产业转化，助力我国在新一轮科技革命中把握先机。