鐵電材料有望使計算(suàn)機告别矽時(shí)代

鐵電材料有望使計算(suàn)機告别矽時(shí)代！！！

經過幾十年的(de)反複再造，矽晶體管開始顯現出了(le)其發展的(de)瓶頸。鐵電材料（Ferroelectric materials）可(kě)使計算(suàn)機不再運用(yòng)數字邏輯進行計算(suàn)。

如這(zhè)張彩色照(zhào)片中所示，鐵電材料的(de)這(zhè)種魚脊形結構或許可(kě)以使它适于作爲晶體管使用(yòng)。

　　經過幾十年的(de)反複再造，矽晶體管開始顯現出了(le)其發展的(de)瓶頸，整個(gè)行業都開始尋找它的(de)替代品。目前，一種新的(de)符合計算(suàn)機行業使用(yòng)要求的(de)材料出現在人(rén)們面前。如果這(zhè)種材料可(kě)以成功運用(yòng)于計算(suàn)機領域，這(zhè)将使計算(suàn)機處理(lǐ)器不僅能有效提高(gāo)能源利用(yòng)率，而且能夠提高(gāo)運算(suàn)能力和(hé)存儲能力。

　　經過研究，研究人(rén)員(yuán)發現，他(tā)們可(kě)以利用(yòng)電荷在四種不同狀态之間進行快(kuài)速切換的(de)鐵電材料來(lái)存儲數據。由這(zhè)種材料制成的(de)晶體管可(kě)以利用(yòng)這(zhè)些不同的(de)電荷狀态表達比1和(hé)0更多(duō)的(de)計算(suàn)機數字邏輯基礎，而且它不需要外部供電即可(kě)保持這(zhè)些電荷狀态，這(zhè)種材料既可(kě)以處理(lǐ)信息也(yě)可(kě)儲存信息。

　　如今的(de)矽晶體管已縮小到了(le)納米級别，已經達到性能極限，不能很好地處理(lǐ)功耗過高(gāo)、散熱(rè)和(hé)速度等問題。

托馬斯·塞伊斯（Thomas N. Theis）是位于紐約約克鎮的(de)IBM公司沃森（Watson）研究中心的(de)科學家，他(tā)是一家工業财團半導體研究集團下(xià)屬的(de)納米電子學研究創新計劃的(de)執行董事，他(tā)認爲，使用(yòng)了(le)這(zhè)類處理(lǐ)器的(de)産品都需要用(yòng)各自不同的(de)方式來(lái)克服這(zhè)些挑戰。

　　加州大(dà)學伯克利分(fēn)校的(de)材料科學家萊恩·馬丁（Lane Martin）目前領導這(zhè)項新研究。他(tā)指出，鐵電材料的(de)一個(gè)主要優勢在于，這(zhè)種材料對(duì)于半導體産業來(lái)說并不是新生事物(wù)。富士通(tōng)、德州儀器以及其他(tā)幾家公司都已經制造出了(le)鐵電存儲設備。

　　“我們隻不過是将現有的(de)這(zhè)種材料進行升級，如果有公司想要采用(yòng)它，它不會像新材料那樣要十年才能實現規模化(huà)，”馬丁這(zhè)樣說道。

　　馬丁正與理(lǐ)論化(huà)學家安德魯·瑞普（Andrew Rappe）共同合作在賓夕法尼亞大(dà)學進行建模并測試鐵電體。

　　與矽晶體管一樣，鐵電元件可(kě)以在不同狀态之間進行切換來(lái)表達信息。但是切換的(de)物(wù)理(lǐ)特性與矽晶體管是*不同的(de)。鐵電體不是在傳導與絕緣狀态之間切換，而是切換電極，即改變電荷在材料中的(de)位置。

　　鐵電材料具有天然的(de)電極，可(kě)以通(tōng)過電場(chǎng)來(lái)改變電極方向。到目前爲止，切換隻需要幾納秒，對(duì)于數據存儲來(lái)說這(zhè)已足夠快(kuài)了(le)，但對(duì)于數據處理(lǐ)而言，這(zhè)樣的(de)速度還(hái)是太慢(màn)，而這(zhè)需要消耗相當多(duō)的(de)能量。

　　瑞普預測，通(tōng)過增大(dà)鐵電晶體一定角度并從另一個(gè)角度施加電場(chǎng)，鐵電材料的(de)切換會發生改變。除了(le)上下(xià)兩極切換，還(hái)有一種瑞普稱爲“次狀态”的(de)中間狀态。

　　馬丁對(duì)用(yòng)各種不同鐵電材料制作的(de)元件進行測試，包括锆钛酸鉛。在測試中，當狀态從上電極狀切換到次狀态再到下(xià)電極狀态時(shí)，與從上電極直接切換到下(xià)電極相比，它展示出了(le)更快(kuài)的(de)切換速度，而且隻需要較低的(de)電壓。測試結果公布在了(le)《Nature Materials》雜(zá)志上。

　　馬丁指出，這(zhè)種鐵電材料的(de)切換速度比常規設計至少快(kuài)了(le)兩至三倍。

　　IBM的(de)塞伊斯表示，這(zhè)項測試研究的(de)結果似乎表明(míng)了(le)，我們對(duì)這(zhè)些材料的(de)了(le)解取得(de)了(le)“非常重大(dà)的(de)進步”。

　　馬丁表示，他(tā)和(hé)瑞普希望，不僅僅局限于将鐵電材料應用(yòng)于存儲設備上。他(tā)們的(de)一個(gè)想法是，将這(zhè)些鐵電材料與矽材料進行結合，從而制造出新型晶體管。這(zhè)種新設備将會節能，會将計算(suàn)處理(lǐ)與存儲結合爲一體。

　　“如果發生斷電現象，你可(kě)在電源恢複後繼續原來(lái)的(de)工作，這(zhè)對(duì)于家庭用(yòng)戶而言十分(fēn)便利，而且節省了(le)數據中心的(de)開支，”馬丁這(zhè)樣說道。