一种新型的自适应晶体管亮相

最新更新时间：2021-12-02

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一般来说，计算机芯片由始终执行相同操作的电子元件组成。然而，在未来，更多的灵活性将成为可能：新型自适应晶体管（adaptive transistors）可以在瞬间切换，以便它们可以根据需要执行不同的逻辑任务。这从根本上改变了芯片设计的可能性，并在人工智能、神经网络甚至逻辑领域开辟了全新的机会，这些领域不仅可以处理 0 和 1 以外的更多值。

为了实现这一目标，来自TU Wien (Vienna)的科学家们没有依靠通常的硅技术，而是依靠锗。但他们的尝试初步看来是成功的：世界上最灵活的晶体管现已使用锗生产，有关这个尝试的文章已发表在ACS Nano杂志上。锗的特殊性质和专用程序栅电极（dedicated program gate electrodes）的使用使得为可能开创芯片技术新时代的新组件创建原型成为可能。

一个额外的控制电极改变了一切

晶体管是每个现代电子设备的基础：它是一个微小的组件，可以允许电流流动或阻止电流流动，具体取决于是否向控制电极施加电压，这使得构建简单的逻辑电路和内存存储成为可能。

电荷在晶体管中的传输方式取决于所使用的材料：要么有携带负电荷的自由移动电子，要么单个原子中可能缺少电子，因此该点带正电。这被称为空穴——它们也可以穿过材料。

在 TU Wien 的新型晶体管中，电子和空穴以一种非常特殊的方式同时被操纵：“我们用一根由锗制成的极细的线连接两个电极，该线通过特殊的、非常干净的界面连接到两侧的金属。在这个锗段上面，我们放置了一个栅电极，就像传统晶体管中的栅电极一样。决定性的是，我们的晶体管还有另一个控制电极，它位于锗和金属之间的界面上。它可以动态编程晶体管的功能。”Masiar Sistani 博士解释说，他是 TU Wien 固态电子研究所 Walter Weber 教授团队的博士后研究员。

这种结构可以分别控制电子和空穴。“使用锗是其中一个决定性的优势，”Masiar Sistani 说。“这是因为锗具有非常特殊的电子结构：当你施加电压时，正如你所期望的那样，电流最初会增加。然而，在某个阈值之后，电流会再次减小——这被称为负微分电阻。随着在控制电极的帮助下，我们可以调节这个阈值所在的电压。这产生了新的自由度，我们可以用它来准确地赋予晶体管我们目前需要的特性。”

这样，例如，与非门（逻辑非与门）可以切换为或非门（逻辑非与非门）。“到目前为止，电子产品的智能只是来自几个晶体管的互连，每个晶体管都只有相当原始的功能。未来，这种智能可以转移到新晶体管本身的适应性上，”沃尔特·韦伯教授说。“由于适应性的提高，以前需要 160 个晶体管的算术运算现在可以用 24 个晶体管完成。通过这种方式，电路的速度和能效也可以显着提高。”

韦伯教授的研究小组只在维也纳工业大学工作了大约两年。Walter Weber 教授因其在新颖、可重新配置的电子产品方面的工作而享誉国际。Masiar Sistani 博士是锗电子领域的专家，专门研究电子传输现象。这两个专业领域完美匹配，使自适应锗晶体管成为可能。“一些细节仍然需要优化，但我们已经证明了我们的第一个可编程锗晶体管的基本思想确实有效。这对我们来说是一个决定性的突破，”Masiar Sistani 说。

人工智能有望被改变

这些新的可能性对于人工智能领域的应用特别有趣：“我们的人类智能基于神经细胞之间动态变化的电路。有了新的自适应晶体管，现在可以有针对性地直接改变芯片上的电路。”Walter Weber 说。多值逻辑也可以通过这种方式实现——即，电路不仅可以处理 0 和 1，还可以处理更多的可能状态。

这种新技术的快速工业应用是现实的：所使用的材料已经在今天的半导体工业中使用，不需要全新的制造工艺。在某些方面，这项技术甚至比以前更简单：今天，半导体材料是掺杂的，即富含单个外来原子。对于基于锗的晶体管，这不是必需的，我们可以使用纯锗。

“我们不想用我们的新晶体管完全取代以前的晶体管技术，这太冒昧了，”Masiar Sistani 说。“新技术更有可能在未来作为附加组件被整合到计算机芯片中。对于某些应用，依赖自适应晶体管只会更节能。”

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