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——它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。相关研究成果日前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。铁电晶体管这种器件之所以被寄予厚望，就是因为它能把‘仓库’和‘灶台’合二为一：既能计算，又能存储，断电了信息也不会丢。但它有个致命短板：操作它需要的电压与功耗太高，没法直接匹配外部运算电路，来回搬运数据途中需要频繁转换电压。”邱晨光介绍，所需电压过大的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。
研究团队的突破，在于用一种极其巧妙的办法解决了这个矛盾。他们把晶体管的关键部件——栅极长度缩小至1纳米。“这是什么概念？一根头发丝的直径大约是8万到10万纳米。在这个原子级别尺度上，我们打造出了一个极细的‘电场探针’。当给这个探针通上电，神奇的事情发生了：电场能量会像水流汇聚到针尖一样，高度集中在一个点上。结果就是，只需要施加0.6伏的微小电压，就能用‘四两拨千斤’的方式，轻松拨动这个开关，完成数据存储。而传统的器件在同样的电压下，电场能量在空间上是分散的，根本拨不动这个开关。”邱晨光表示。
“这就好比用极细的针把力量集中在一点上，很容易就撬动了原本需要大力气才能搬动的重物。”邱晨光介绍，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，不仅仅在于好看的实验数据。彭练矛表示，0.6伏的工作电压，比现在主流芯片用的0.7伏还要低；而它的开关能耗，更是比国际最好水平降低了整整一个数量级。这意味着，如果未来这项技术走向实用，搭载这种芯片的手机、自动驾驶仪、云端服务器等，可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，这更是一剂良药——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。”
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——它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。相关研究成果日前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。铁电晶体管这种器件之所以被寄予厚望，就是因为它能把‘仓库’和‘灶台’合二为一：既能计算，又能存储，断电了信息也不会丢。但它有个致命短板：操作它需要的电压与功耗太高，没法直接匹配外部运算电路，来回搬运数据途中需要频繁转换电压。”邱晨光介绍，所需电压过大的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。
研究团队的突破，在于用一种极其巧妙的办法解决了这个矛盾。他们把晶体管的关键部件——栅极长度缩小至1纳米。“这是什么概念？一根头发丝的直径大约是8万到10万纳米。在这个原子级别尺度上，我们打造出了一个极细的‘电场探针’。当给这个探针通上电，神奇的事情发生了：电场能量会像水流汇聚到针尖一样，高度集中在一个点上。结果就是，只需要施加0.6伏的微小电压，就能用‘四两拨千斤’的方式，轻松拨动这个开关，完成数据存储。而传统的器件在同样的电压下，电场能量在空间上是分散的，根本拨不动这个开关。”邱晨光表示。
“这就好比用极细的针把力量集中在一点上，很容易就撬动了原本需要大力气才能搬动的重物。”邱晨光介绍，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，不仅仅在于好看的实验数据。彭练矛表示，0.6伏的工作电压，比现在主流芯片用的0.7伏还要低；而它的开关能耗，更是比国际最好水平降低了整整一个数量级。这意味着，如果未来这项技术走向实用，搭载这种芯片的手机、自动驾驶仪、云端服务器等，可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，这更是一剂良药——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。”
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