計算機可能會變得越來越小、功能越來越強，但它們需要大量的能源來運行。在過去十年時間中，美國用于計算的能源總量急劇上升并迅速接近其他主要部門如交通部門。??

于當?shù)貢r間4月6日在線發(fā)表在《自然》上的一項研究中，加州大學(xué)伯克利分校的工程師們描述了在晶體管--構(gòu)成計算機構(gòu)件的微小電子開關(guān)--的設(shè)計中的一項重大突破，它可以在不犧牲速度、尺寸或性能的情況下大大降低其能源消耗。該元件被稱為閘極氧化層，其在晶體管的開關(guān)中起著關(guān)鍵作用。

“我們已經(jīng)能夠證明，我們的閘極氧化層技術(shù)比市面上的晶體管更好，”這項研究的論文高級作者、加州大學(xué)伯克利分校臺積電電氣工程和計算機科學(xué)特聘教授Sayeef Salahuddin說道，“今天價值數(shù)萬億美元的半導(dǎo)體行業(yè)所能做到的--我們基本上可以擊敗他們。

據(jù)悉，這種效率的提高是通過一種叫做負電容的效應(yīng)實現(xiàn)的，它有助于減少在材料中儲存電荷所需的電壓。Salahuddin在2008年從理論上預(yù)測了負電容的存在，另外還在2011年首次在一個鐵電晶體中展示了這種效應(yīng)。

這項新研究顯示了如何在一種由氧化鉿和氧化鋯的分層堆疊組成的工程晶體中實現(xiàn)負電容，這種晶體非常容易跟先進的硅晶體兼容。通過將這種材料納入模型晶體管，該研究展示了負電容效應(yīng)如何能大大降低控制晶體管所需的電壓量并因此降低計算機所消耗的能源量。

Salahuddin表示：“在過去的10年里，用于計算的能源成倍增長已經(jīng)占到世界能源生產(chǎn)的個位數(shù)百分比，而這一增長只是線性的，沒有盡頭。通常情況下，當我們使用電腦和手機時，我們不會想到我們正在使用多少能源。但這是一個巨大的數(shù)量，而且它只會上升。我們的目標是減少計算的這一基本構(gòu)件的能源需求，因為這將降低整個系統(tǒng)的能源需求。”

將負電容帶入現(xiàn)實技術(shù)

最先進的筆記本電腦和智能手機包含數(shù)以百億計的微小硅晶體管，而每個晶體管都必須通過施加電壓來控制。柵極氧化物是一層薄薄的材料，進而將施加的電壓轉(zhuǎn)化為電荷，然后開關(guān)晶體管。

負電容可以通過減少實現(xiàn)特定電荷所需的電壓量來提高柵極氧化物的性能。但這種效果不能在任何材料中實現(xiàn)。創(chuàng)造負電容需要仔細操縱一種叫做鐵電性的材料特性，當一種材料表現(xiàn)出自發(fā)的電場時就會出現(xiàn)這種情況。以前，這種效果只在被稱為過氧化物的鐵電材料中實現(xiàn)，而過氧化物的晶體結(jié)構(gòu)跟硅不兼容。

在這項研究中，研究小組表明，通過將氧化鉿和氧化鋯結(jié)合在一個被稱為超晶格的工程晶體結(jié)構(gòu)中也可以實現(xiàn)負電容，并且還能讓鐵電性和反鐵電性同時存在。

研究論文的共同第一作者、加州大學(xué)伯克利分校的博士后研究員Suraj Cheema表示：“我們發(fā)現(xiàn)這種組合實際上給我們帶來了更好的負電容效應(yīng)，這表明這種負電容現(xiàn)象比原來想象的要廣泛得多。負電容不僅僅發(fā)生在鐵電體跟電介質(zhì)的傳統(tǒng)畫面中，這也是過去十年來研究的內(nèi)容。實際上，你可以通過設(shè)計這些晶體結(jié)構(gòu)來利用反鐵電性和鐵電性，從而使其效果更強。”

研究人員發(fā)現(xiàn)，由三個氧化鋯原子層夾在兩個氧化鉿單原子層之間組成的超晶格結(jié)構(gòu)總厚度不到兩納米，這提供了最佳的負電容效應(yīng)。由于大多數(shù)最先進的硅晶體管已經(jīng)使用了由二氧化硅上面的氧化鉿組成的兩納米二氧化鋯 ，并且由于氧化鋯也被用于硅技術(shù)，這些超晶格結(jié)構(gòu)可以很容易地被集成到先進的晶體管中。

為了測試超晶格結(jié)構(gòu)作為二氧化鋯的性能表現(xiàn)，該團隊制作了短通道晶體管并測試了它們的能力。跟現(xiàn)有的晶體管相比，這些晶體管需要的電壓將減少約30%，以此同時還能保持半導(dǎo)體行業(yè)的基準且不損失可靠性。

“我們在這種類型的研究中經(jīng)常看到的一個問題是，我們可以證明材料中的各種現(xiàn)象，但這些材料跟先進的計算材料不兼容，因此我們無法將好處帶到真正的技術(shù)中.這項工作將負電容從一個學(xué)術(shù)課題轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢哉嬲糜谙冗M晶體管的東西。”