光明日報北京3月3日電（記者晋浩天）未來智能手機實現超長待機、物聯網感測器電池續航數年、可穿戴設備無需頻繁充電——這些關於低功耗電子產品的美好願景，正因一項關鍵技術突破而加速照進現實。北京大學電子學院邱晨光研究員—彭練矛院士團隊成功研製出一種名為“納米栅超低功耗鐵電電晶體”的新器件——它像一隻能量消耗極低的“記憶開關”，能在極低電壓下完成資料存儲和讀取，成為國際上迄今功耗最低的鐵電電晶體，為打造更省電的AI晶片和智慧設備提供了關鍵條件。相關研究成果日前線上發表於國際學術期刊《科學·進展》。
“要理解這個‘開關’有多神奇，得先聊聊（建議：聊）如今晶片面臨的一大難題：電腦和手機處理器（CPU）在處理數據時，存儲和計算是分開的，數據在兩個模塊之間來回搬運，不僅費時，也很費電。就像廚師做菜時，每放一次調料都要跑回倉庫拿，次數多了，時間和體力都浪費了。鐵電電晶體這種器件之所以被寄予厚望，就是因為它能把‘倉庫’和‘灶台’合二為一：既能計算，又能存儲，斷電了資訊也不會丟。但它有個致命短板：操作它需要的電壓與功耗太高，沒法直接匹配外部運算電路，來回搬運數據途中需要頻繁轉換電壓。”邱晨光介紹，所需電壓過大的問題嚴重限制了鐵電記憶體在高能效AI晶片、可擕式智慧設備等對功耗敏感場景中的規模化應用。
研究團隊的突破，在於用一種極其巧妙的辦法解决了這個衝突。他們把電晶體的關鍵部件——柵極長度縮小至1納米。“這是什麼概念？一根頭髮絲的直徑大約是8萬到10萬納米。在這個原子級別尺度上，我們打造出了一個極細的‘電場探針’。當給這個探針通上電，神奇的事情發生了：電場能量會像水流彙聚到針尖一樣，高度集中在一個點上。結果就是，只需要施加0.6伏的微小電壓，就能用‘四兩撥千斤’的管道，輕鬆撥動這個開關，完成資料存儲。而傳統的器件在同樣的電壓下，電場能量在空間上是分散的，根本撥不動這個開關。”邱晨光表示。
“這就好比用極細的針把力量集中在一點上，很容易就撬動了原本需要大力氣才能搬動的重物。”邱晨光介紹，這種設計打破了傳統鐵電電晶體的物理限制，讓電壓效率提升至125%，首次突破了鐵電資料的理論極限，真正實現了超低功耗下的數據高效存儲。
這項突破的意義，不僅僅在於好看的實驗數據。彭練矛表示，0.6伏的工作電壓，比現在主流晶片用的0.7伏還要低；而它的開關能耗，更是比國際最好水準降低了整整一個數量級。這意味著，如果未來這項科技走向實用，搭載這種晶片的手機、自動駕駛儀、雲端服務器等，可用極少電量完成大量計算和存儲任務。“對於正在飛速發展的AI科技來說，這更是一劑良藥——如今的大模型和晶片都是‘電老虎’，能耗牆已經成了繼續提升算力的最大阻礙。而這種‘越小越省電、越小越好用’的新器件，為突破這堵牆打開了一扇新的大門。”