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瑞士开发出超高能效二维隧穿晶体管
2020-06-04

近日,瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)纳米电子器件实验室设计并论证了一种基于二维半导体材料的新型器件,其效能几乎与人脑相当。智能手机、笔记本电脑和智能手表所消耗能量中仅约50%为重要功能运行提供动力。全球范围内数十亿类似设备运行,能源被大量浪费。为此,瑞士洛桑联邦理工学院启动了一系列研究项目,以降低晶体管能耗。研究人员表示,晶体管是人类有史以来最伟大的电气发明之一,其是数字和模拟信号处理电路的基本构建单元。21世纪,晶体管使计算基础架构以及便携式设备实时信息交互成为可能。

能效问题

瑞士洛桑联邦理工学院Adrian Ionescu教授表示,人脑能够执行复杂度很高的任务,如分析感官信息并生成智能决策,该过程复杂度比当今计算机的处理能力高出几个数量级,但其功耗却与一只20瓦灯泡相当。因此,我们研究的目标是设计与人类神经元效能相似的电子组件,并将其应用于携式交互设备。

洛桑联邦理工学院在工程学院(STI)洁净室利用二硒化钨(WSe2)和二硒化锡(SnSe2)栅极结的能带对准机制,开发出高能效二维晶体管,被称为二维隧穿晶体管。同时,研究团队还设计了一种新型混合双运输结构,可进一步提高器件性能。

打破基本限制

二维隧穿晶体管的成功研制,标志着洛桑联邦理工学院突破了电子器件的物理基本限制。Adrian Ionescu解释道,通过一座高山可以采用爬到山顶再下行到山谷或是山中开凿隧道,其能量损耗完全不同。二维隧穿晶体管采用方法类似于“山中开凿隧道”,其能够以更低的能耗实现开关的接通和关断操纵。瑞士洛桑联邦理工学院联合苏黎世联邦理工学院通过原子模拟测试验证了二维隧穿晶体管的性能,其比类似的二维半导体材料制成的晶体管性能更高,且电源电压非常低。

从可穿戴设备到边缘人工智能

二维隧穿晶体管可用于构建类似于大脑神经元的节能电子系统。Adrian Ionescu教授表示,人类神经元的工作电压约为100毫伏,大约是标准电池所提供电压的10%。目前,该二维隧穿晶体管可在300毫伏的电压下工作,效能是传统晶体管的10倍左右,未来有望在可穿戴设备(如智能手表和智能服装)和人工智能芯片领域得到应用。但是,将该晶体管转化为工业产品仍需数年研究。(国家工业信息安全发展研究中心 郑发松)

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