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量子摩尔定律问世是怎么回事 还原事件的始末终于真相了

admin 5月前 539

半导体技术蓬勃发展,即将面临积体电路微缩化的三奈米制程极限,因此科学家除改善积体电路中电晶体的基本架构外,亦积极寻找具有优异物理特性且能微缩至原子尺度(<1 奈米)的电晶体材料。

台湾团队:单原子层厚度的二极管

台湾成大物理系吴忠霖教授与同步辐射研究中心陈家浩博士所组成的国内研究团队,在全球众多竞争团队中脱颖而出,成功地研发出仅有单原子层厚度(0.7奈米)且具优异的逻辑开关特性的二硒化钨(WSe2)二极管,并在「自然通讯Nature Communications」杂志上发表研究成果。

此二维单原子层二极管的诞生,更加轻薄,效率更高,除了可超越『摩尔定律』进行后硅时代电子元件的开发,以追求元件成本/耗能/速度最佳化的产业价值外,并可满足未来人工智慧芯片与机器学习所需大量计算效能的需求。

二维材料具有许多独特的物理与化学性质,科学家相信这些性质能为计算机和通信等多方领域带来革命性冲击。其中与石墨烯(Graphene)同属二维材料的二硒化钨(WSe2),是一种过渡金属二硫族化合物(Transition Metal Dichalcogenides, 简称TMDs),能够在单化合原子层的厚度(约0.7奈米)内展现绝佳的半导体传输特性,相比以往的传统硅半导体材料,除了厚度上已超越三奈米的制程极限外,可完全满足次世代积体电路所需更薄、更小、更快的需求。

研究团队利用同时兼具高亮度/高能量解析/高显微力的台湾『三高』同步辐射光源,成功观察到可以利用乘载二维材料的铁酸铋(BiFeO3)铁电氧化物基板,能有效地在奈米尺度下改变单原子层二硒化钨半导体不同区域的电性。吴忠霖教授表示,相较以往只能利用元素参杂或加电压电极等改变电性的方式,本研究无需金属电极的加入,为极重大的突破。

本研究利用单层二硒化钨半导体与铁酸铋氧化物所组成的二维复合材料,展示了调控二维材料电性无需金属电极的加入,就能打开和关闭电流以产生1和0的逻辑讯号,这样能大幅降低电路制程与设计的复杂度,以避免短路、漏电、或互相干扰的情况产生。此外,由于二维材料的厚度极薄,能如同现今先进的晶圆3D堆叠技术一样,透过堆叠不同类型的二维材料展现不同的功能性。

透过本研究成果,未来若能将此微缩到极限的单原子层二极管组合成各种积体电路,由于负责运算的传输电子被限定在单原子层内,因此能大幅地降低干扰并能增加运算速度,预期可超过现今电脑的千倍、万倍,而且所需的能量极少,大量运算时也不会耗费太多能量达到节能的效果,其各项优点将对现今的数位科技发展带来重大的影响,也许手机充电一次就能连续使用一个月,而以现阶段积极发展的自动驾驶汽车来说,如果所有的感测、运算速度都比现在快上千、万倍,行驶霹雳车再也不是梦想。

澳洲团队:用空气间隙传送电子

据美媒称,电子工程师开发出一种能通过细微空气间隙——而不是硅——来传送电子的新型晶体管。这一发展否定了半导体的必要性,提高了该装置的速度,且降低了过热的可能性。

据合众国际社网站日前报道,研究人员利用这项突破为一种纳米芯片开发出概念验证设计,这种芯片的特点是金属与狭小空气间隙相结合,这个工程师团队在《纳米通讯》月刊上详细介绍了他们的发明。

皇家墨尔本理工大学的研究人员什鲁蒂·尼兰塔在一份新闻稿中称:“每台计算机和手机都有数百万至数十亿由硅制成的电子晶体管,但这项技术正在达到其物理极限,导致硅原子阻碍电流、限制速度并产生热量。我们的空气通道晶体管技术让电流在空气中流动,因此不会发生碰撞使其减速,材料中也没有产生热量的阻力。”

报道称,在过去十多年中,随着工程师们设法将越来越多的晶体管挤进硅芯片,计算机芯片的功率和效率大约每两年翻一番。但现在的晶体管比最微小的病毒都小,而且技术专家说,晶体管能小到什么程度是有限的。换句话说,硅基电子产品面临着一个天花板,而工程师们已经在接近这一极限。但基于空气的纳米芯片能够为研究人员提供通往纳米电子新范式的途径。

尼兰塔说:“这项技术在晶体管小型化方面走了另一条路,为的是让摩尔定律在今后几十年里依然有效。”

根据这项新研究,其概念验证设计避免了传统固体通道晶体管的一个问题:原子太多。研究人员没有使用真空包装来降低晶体管密度,而是利用一个狭窄的空气间隙。

研究人员沙拉特·斯里拉姆说:“这个间隙只有几十纳米,是人类毛发宽度的5万分之一,但它足以让电子误以为自己是在真空中行进,为在纳米级空气间隙内的电子重新创造一个虚拟外部空间。”

研究人员认为,他们的装置将很容易与现有电子技术兼容。

里拉姆说:“这是朝着一项激动人心的技术迈出的一步,这项技术旨在‘无中生有’、大幅提高电子产品的速度并保持快速技术进步的节奏。”

量子运算和硅光子是救星?

根据「摩尔定律」(Moore's law),电晶体将随着技术的改良而不断缩小,目前台湾与韩国的制程领先全球,已经推进到7奈米。但一般认为当演进至1奈米,已经超过硅材料的物理极限,摩尔定律将碰到天花板,再也走不下去。

针对这样的困境,台湾工研院表示2019年跨入「后摩尔定律时代」(beyond Moore'slaw),技术上的解方有二:量子运算与硅光子。这两大技术也将是2020~2030年半导体技术演进的重要推手。

有别于一般电脑采用0与1的二进位制,量子电脑则采用「量子位元(qubit)」,其「叠加(superposition)」的特性,可以同时出现0与1,所以能够同时处理大量资讯,特别是多变量的数据,这也符合未来AI的发展趋势。

日本丰田通商(Toyota Tsusho)与电综(DENSO)便运用量子运算,在泰国建立大规模交通资讯平台「TSQUAREアプリ」,利用13万车辆回报的资讯,进行即时交通分析,并回馈给用户最适合的行车建议。利用量子运算,36万笔资讯在20微秒(百万分之一秒)内完成,相较现行设备足足快了1亿倍。

现在的资讯传输主要是靠电,而硅光子( Silicon Photonics)的技术,是将「电讯号」改为「光讯号」来传递数据,以提高传输距离、增加资料频宽与降低单位耗能。

然而硅本身无法发光,所以光源发展来自于外界,雷射光则是主要光源。需藉由封装方式将光源与芯片进行组装,而将雷射直接整合到芯片上,则是未来的目标。

另外,硅光子技术可整合现有半导体CMOS制程,成为业界颇受瞩目的研究方向,但硅光子技术的难度在于,整合半导体技术和光学技术,仍需要扭转部分技术开发的思维与制程。


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