2019-05-30 18:00:02
超越1和0 工程师提高了缩小晶体管的继任者的潜力

几十年来,计算机和类似的电子设备变得越来越快,因为计算机芯片制造商已经学会了如何缩小单个晶体管,即传输数字信息的微型电子开关。

科学家们对最小晶体管的追求使得更多的晶体管能够被封装在每个芯片上。但是这种竞争的底线几乎已经结束:研究人员正在快速接近晶体管尺寸的物理最小值,最近的模型下降到大约10纳米 - 或者只有30个原子宽。

德克萨斯大学达拉斯分校的材料科学与工程教授Kyeongjae Cho博士说:“电子设备的处理能力来自数亿个或数十亿个在单个计算机芯片上互连的晶体管。” “但我们正在迅速接近规模的下限。”

为了扩大对更快处理速度的追求,微电子行业正在寻找替代技术。 Cho的研究发表在4月30日的“自然通讯”杂志上,可能会通过扩大晶体管的词汇量来提供解决方案。

传统的晶体管只能传达两个信息值:作为开关,晶体管可以开启或关闭,转换为二进制语言的1和0。

在不增加更多晶体管的情况下增加处理能力的一种方法是通过在二进制器件的导通和截止状态之间引入中间状态来增加每个晶体管传达的信息量。基于该原理的所谓的多值逻辑晶体管将允许在单个器件中处理更多操作和更大量的信息。

“多值逻辑晶体管的概念并不新鲜,并且已经有很多尝试制造这种器件,”Cho说。 “我们已经做到了。”

通过理论,设计和模拟,UT达拉斯的Cho团队开发了基于氧化锌的多值逻辑晶体管的基本物理学。他们在韩国的合作者成功地制作并评估了原型设备的性能。

Cho的器件能够在0和1之间提供两个电子稳定且可靠的中间状态,将每个晶体管的逻辑值数量从两个增加到三个或四个。

Cho表示,新的研究意义重大,不仅因为该技术与现有的计算机芯片配置兼容,而且还因为它可以弥合当今计算机和量子计算机之间的差距,这是计算能力的潜在下一个里程碑。

虽然传统的计算机使用1和0的精确值来进行计算,但量子计算机的基本逻辑单元更具流动性,其值可以同时或在其间的任何位置以1和0的组合存在。虽然它们尚未商业化,但理论上大规模量子计算机能够以比现有计算机更快的速度存储更多信息和解决某些问题。

“采用多级逻辑的设备将比传统计算机更快,因为它不仅仅是二进制逻辑单元。对于量子单位,你有连续的值,”Cho说。

“晶体管是一种非常成熟的技术,量子计算机远未实现商业化,”他继续说道。 “存在巨大的差距。那么我们如何从一个移动到另一个?我们需要某种进化途径,二元和无限自由度之间的桥接技术。我们的工作仍然基于现有的设备技术,所以它是不像量子计算那样具有革命性,但它正朝着这个方向发展。“

Cho和他的同事开发的技术采用了两种形式的氧化锌结合形成复合纳米层的新型结构,然后在超晶格中与其他材料层结合。

研究人员发现,通过将氧化锌晶体(称为量子点)嵌入无定形氧化锌中,他们可以实现多值逻辑所需的物理学。包含无定形固体的原子不像它们在结晶固体中那样严格有序。

“通过设计这种材料,我们发现我们可以创建一种能够实现这种多级逻辑行为的新电子结构,”曾申请专利的Cho表示。 “氧化锌是一种众所周知的材料,往往会形成结晶固体和无定形固体,因此它是一个明显的选择,但它可能不是最好的材料。我们的下一步将看看这种行为是如何普遍的在我们尝试优化技术的其他材料中。

“展望未来,我也希望看到我们如何将这项技术与量子器件相结合。”

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