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创新使人们得以窥见电子设备的未来

发布时间:2020-05-31 15:58:21  编辑:  来源:

在12月5日举行的2016年IEDM国际会议上,普渡大学的研究人员展示了一系列预示着半导体行业未来的概念和技术。

这些概念包括扩展今天以硅为基础的晶体管性能的创新,以及全新类型的纳米电子设备,以补充并可能在未来的计算机中取代传统技术。

“过去50年来,越来越多的电子设备信封我们在我们的日常生活中,和晶体管,创新已经成为美国和世界经济的主要经济因素,“Gerhard Klimeck说,电气和计算机工程教授和主任普渡的网络计算纳米技术在大学里发现的公园。这些进步是通过使计算机芯片中的基本晶体管变得更小而实现的。今天,这些设备的关键尺寸只有大约60个原子那么厚,进一步减小设备尺寸肯定会止步于小的原子尺寸。”

工业需要新技术来跟上摩尔定律(Moore’s law)的步伐。摩尔定律观察到,电脑芯片上的晶体管数量每两年就会增加一倍,从而导致电脑和电信行业迅速发展。普渡大学电气和计算机工程教授Muhammad Ashraful Alam说,继续缩小由传统硅基半导体(CMOS)技术制成的电子设备变得越来越困难。CMOS技术被称为互补金属氧化物半导体(CMOS)技术。

“随着晶体管越来越小,它们在提高性能和确保可靠性方面面临着许多挑战,”他说。

在12月5日至7日于旧金山举行的年度国际电子器件会议(IEDM 2016)上,普渡大学的研究人员发表了五篇论文,提出了创新设计,以扩展CMOS技术和新设备,潜在地取代或增强传统晶体管。这次会议展示了电子设备技术的最新发展。

集成电路,或称芯片,现在包含大约20亿个晶体管。装在芯片上的设备越多,热量就越大,目前的芯片每平方厘米产生的热量约为100瓦,相当于核反应堆的热量。

Alam说:“因此,自热已经成为阻碍性能和破坏晶体管的一个基本问题,我们正在努力解决这个问题。”

IEDM会议上的两篇论文详细介绍了抑制自热和提高传统CMOS芯片性能的研究。剩下的论文涉及未来计算机技术的新设备,这些设备需要更低的功率来运行,这意味着它们不会自动加热。

Alam表示:“我们不仅在努力拓展传统技术的最新技术,还在开发下一代晶体管技术。”

晶体管是一种电子开关,它的开关允许使用由1和0组成的二进制代码进行计算。晶体管中的一个关键元件,称为栅极,控制着这种开关。然而,随着越来越小的晶体管被设计出来,这种控制变得越来越困难,因为电子会在超小门周围泄漏。

会议上的一篇论文集中讨论了解决这一问题的一种可能方案:在栅极周围制造晶体管,而不是通常的平面设计。不幸的是,用栅极把晶体管包起来会导致加热增加,从而影响可靠性并可能损坏器件。研究人员使用了一种叫做亚微米热反射成像的技术来精确定位过度加热的位置。另一篇论文详细介绍了一种抑制这种自热的潜在方法,通过改变晶体管与芯片中复杂电路的连接方式,模拟了如何更有效地散热。

剩下的三篇论文提出了下一代器件:纳米磁极网络、极薄的黑磷材料层和“隧道”场效应晶体管(fet)。这种技术的工作电压比现有的电子设备要低得多,产生的热量也少。

“你希望使用尽可能低的电压,因为降低了功耗,如果你能降低功耗的电池,你的手机将持续更长的时间,你可以做更多的与小数量的计算能力,你将能够把更多的功能元素塞进一个给定的区域,“Klimeck说。

隧道场效应晶体管有可能将电力消耗降低40多倍。

“将功耗降低40倍将是一个巨大的发展,”Klimeck说。

另一篇会议论文详细介绍了开发黑磷器件的研究,这种器件有一天可能会取代硅成为晶体管中的半导体。电子和计算机工程的Richard J.和Mary Jo Schwartz教授Peide Ye说,研究结果表明,这些设备能够以极低的电阻通过大量电流,同时显示出良好的开关性能。

叶说:“我们已经展示了这种2d设备的最高性能。”

由这种材料制成的设备也可以带来新型的光学和化学传感器。在普渡大学伯克纳米技术中心进行的研究中,这些设备使用了一种名为化学气相沉积的技术。

叶说,未来的研究将包括努力制造更小的黑色磷光器件。

第五篇论文详细介绍了纳米磁体网络如何成为未来计算机的基石。研究结果显示,这些网络模仿了以德国物理学家恩斯特·伊辛命名的网络,利用数学来解决复杂的概率问题。

nanomagnet网络可能被用来从庞大的数据库中提取信息,以完成从商业和金融到医疗保健和科学研究等领域的高要求工作。

执行大数据计算的传统方法是通过运行在CMOS设备上的新软件。然而,nanomagnet网络代表了一种不同的方法:为这一壮举开发一种全新的硬件,电子和计算机工程副教授陈志宏说。

“我们已经通过实验证明了纳米agnet阵列是概率计算机硬件的潜在构件,”陈说。

她的团队也由托马斯·邓肯电气和计算机工程杰出教授supriyo Datta领导;和joerg Appenzeller, Barry M.和Patricia L. Epstein电子和计算机工程教授,Birck纳米技术中心的纳米电子科学主任。这三位研究人员是由普渡大学工程学院(Purdue"sCollege of Engineering)组建的“自旋电子学”卓越团队的成员。

标签:电子设备
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