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如何突破硅片和摩尔定律的限制?

发布时间:2019-06-05 19:50 来源:未知 编辑:admin

  “让一个人干两个人的活,所有事项在一个办公室里处理完成,这样是不是大大提升了效率,节省了成本?这种思路放在集成电路中也是一样的。”复旦大学微电子学院教授周鹏说。

  日前,复旦大学科研团队宣布,发明了单晶体管的新逻辑结构,使晶体管面积缩小50%,存储计算的同步性也进一步提升。相关研究成果已在线发表于《自然·纳米技术》。

  周鹏说:“这项研究工作的核心内容是利用原子晶体硫化钼做出了新结构晶体管。在此基础上,团队发明了新的单晶体管逻辑结构,在单晶体管上实现了逻辑运算的‘与’和‘或’。”。

  “与”和“或”是构成计算系统的最基本逻辑单元。该研究工作使晶体管面积缩小50%,有效降低了成本,而原先需要两个独立晶体管才能实现逻辑功能,现在只要一个晶体管即可。研究还发现了可层数调控的晶体管逻辑特性,并提供光切换逻辑功能选项。

  据介绍,这一新的逻辑架构可以通过器件级存算一体路径破解数据传输阻塞瓶颈问题,突破了现有逻辑系统中冯·诺依曼架构的限制。对此,周鹏打了个比方:“原先我们计算和存储数据需要两个房间跑,而现在所有数据的计算和存储都在同一个房间解决。”

  在冯·诺依曼架构下,计算和存储是相互分离的。“可以理解为,房间A专门用来计算数据,房间B用来存储数据,数据在经过计算后要通过电子借由导线从房间A传输到房间B,这条导线就相当于连接两个房间的走廊。”周鹏表示,如今,数据的计算速度越来越快,但存储速度和传输速度却未能得到同步提升,冯·诺依曼架构的限制就主要体现在计算速度、存储速度和传输速度的不相匹配。

  而复旦科研团队的研究则在物理架构上突破了冯·诺依曼架构的限制,只需“一个房间”就可实现计算和存储的功能,即“房间”内分层工作,第一层负责计算,第二层负责存储,两个表层在垂直空间上形成堆叠。

  “就像两张纸摞在一起,它们在空间上是堆叠着的,数据的计算和存储只是在原地被相对抬高了一些而已。计算层的沟道电流可以影响到存储层,从而摆脱传输环节,实现存算一体、原位存储。”周鹏说。

  半导体行业在摩尔定律的“魔咒”下已经狂奔了50多年,一路上挟风带雨,好不风光。不过随着半导体工艺的特征尺寸日益逼近理论极限,摩尔定律对半导体行业的加速度已经明显放缓。

  未来半导体技术的提升,除了进一步榨取摩尔定律在制造工艺上最后一点“剩余价值”外,寻找硅(Si)以外新一代的半导体材料,也就成了一个重要方向。在这个过程中,氮化镓(GaN)近年来作为一个高频词汇,进入了人们的视野。

  GaN和SiC同属于第三代高带宽度的半导体材料,和第一代的Si以及第二代的GaAs等前辈相比,其在特性上优势突出。由于禁带宽度大、导热率高,GaN器件可在200℃以上的高温下工作,能够承载更高的能量密度,可靠性更高;较带宽度和绝缘破坏电场,使得器件导通电阻减少,有利与提升器件整体的能效;电子饱和速度快,以及较高的载流子迁移率,可让器件高速地工作。

  目前,氮化镓已经拥有了足够广阔的应用空间。作为第三代半导体新技术,也是全球各国争相角逐的市场,并且市面上已经形成了多股氮化镓代表势力。

  然而,现在还有什么是阻碍氮化镓器件发展的不利因素呢?两个字:太贵!随着市场需求量加速、大规模生产、工艺制程革新等,氮化镓也会走向平民化,而最终的市场也将会取代传统的硅基功率器件。

  生物计算机。这是科学家提出的最聪明、最灵巧的设想之一,它利用DNA进行计算,把DNA双螺旋分子作为一种生物计算机的记忆磁带,(除了代替以0s和1s的二进制形式将信息密码化外,它还使用4个核酸代替A,T,C,G)。这种方式更适于进行大额数目的计算。因此,大银行和研究机构以及学院有可能在将来使用它。但技术开发难度很大,近期难见成效。

  分子计算机。这类计算机分别用单个分子和单个电子代替硅晶体管,起到类似逻辑门和电子开关的作用,但目前面临许多难以攻克的技术难题,如何批量生产原子导线和原子绝缘体等,目前只停留在理论阶段,尚无样机出现。

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