1纳米“记忆开关”研制成功 开启低功耗新时代

1纳米“记忆开关”研制成功 开启低功耗新时代！未来智能手机实现超长待机、物联网传感器电池续航数年、可穿戴设备无需频繁充电——这些关于低功耗电子产品的美好愿景，正因一项关键技术突破而加速照进现实。北京大学电子学院邱晨光研究员—彭练矛院士团队成功研制出一种名为“纳米栅超低功耗铁电晶体管”的新器件。这种器件像一只能量消耗极低的“记忆开关”，能在极低电压下完成数据存储和读取，成为国际上迄今功耗最低的铁电晶体管，为打造更省电的AI芯片和智能设备提供了关键条件。相关研究成果已在线发表于国际学术期刊《科学·进展》。

要理解这个“开关”有多神奇，得先聊聊如今芯片面临的一大难题：电脑和手机处理器（CPU）在处理数据时，存储和计算是分开的，数据在两个模块之间来回搬运，不仅费时，也很费电。就像厨师做菜时，每放一次调料都要跑回仓库拿，次数多了，时间和体力都浪费了。铁电晶体管之所以被寄予厚望，是因为它能把“仓库”和“灶台”合二为一：既能计算，又能存储，断电后信息也不会丢失。然而，传统铁电存储器存在一个致命短板：操作所需电压与功耗太高，无法直接匹配外部运算电路，导致数据搬运过程中需要频繁转换电压。这个问题严重限制了铁电存储器在高能效AI芯片、便携式智能设备等对功耗敏感场景中的规模化应用。

研究团队通过一种极其巧妙的方法解决了这个矛盾。他们将晶体管的关键部件——栅极长度缩小至1纳米。在这个原子级别尺度上，他们打造出一个极细的“电场探针”。当给这个探针通上电时，电场能量会高度集中在一个点上，只需施加0.6伏的微小电压，就能轻松拨动这个开关，完成数据存储。而在相同电压下，传统器件的电场能量在空间上是分散的，无法有效控制开关。这种设计打破了传统铁电晶体管的物理限制，让电压效率提升至125%，首次突破了铁电材料的理论极限，真正实现了超低功耗下的数据高效存储。

这项突破的意义不仅仅在于实验数据。邱晨光表示，0.6伏的工作电压比现在主流芯片使用的0.7伏还要低；其开关能耗更是比国际最好水平降低了整整一个数量级。如果这项技术走向实用，搭载这种芯片的手机、自动驾驶仪、云端服务器等设备可以用极少电量完成大量计算和存储任务。对于正在飞速发展的AI技术来说，这是一剂良药——如今的大模型和芯片都是“电老虎”，能耗墙已经成了继续提升算力的最大阻碍。而这种“越小越省电、越小越好用”的新器件为突破这堵墙打开了一扇新的大门。