Apenas 1 nanómetro, consumo de energia mínimo! Equipa da Universidade de Pequim realiza avanço importante no campo dos chips

De acordo com a mensagem oficial da Escola de Engenharia Eletrônica da Universidade de Pequim, a Universidade de Pequim alcançou avanços revolucionários no campo da memória não volátil. A equipe liderada por Qiu Chenguang e Peng Lianmao conseguiu reduzir o comprimento físico do transistor ferroeletro a um limite de 1 nanómetro, criando de forma inovadora o menor transistor ferroeletro de sempre, com menor consumo de energia, com potencial para fornecer componentes essenciais para melhorar a capacidade de processamento e eficiência energética de chips de IA. Os resultados da pesquisa foram publicados online na revista Science Advances.

A seguir, o texto original do artigo:

Equipe da Escola de Engenharia Eletrônica de Pequim desenvolve o transistor ferroeletro de menor consumo do mundo

A Universidade de Pequim fez avanços revolucionários no campo da memória não volátil. A equipe liderada por Qiu Chenguang e Peng Lianmao propôs pela primeira vez o “Transistor ferroeletro de ultra baixo consumo com nanogate”. A equipe, através de um design engenhoso da estrutura do dispositivo de armazenamento ferroeletro, introduziu o efeito de concentração de campo elétrico na porta nanométrica, desenvolvendo um transistor ferroeletro que funciona com uma tensão ultra baixa de 0,6V, com consumo de energia reduzido a 0,45 fJ/μm, e com comprimento físico da porta reduzido a um limite de 1 nanómetro, sendo o menor e de menor consumo já criado internacionalmente, oferecendo uma nova mecânica física potencial para a construção de chips de alta performance em nós abaixo de 1 nanómetro e arquiteturas de chips de IA de alta capacidade. Este avanço foi publicado online na revista Science Advances, sob o título “Transistores ferroeletro com nanogate e tensão de operação ultrabaixa de 0,6 V”.

Captura de tela do artigo

Dispositivos lógicos e de memória são os dois principais componentes básicos na construção de circuitos integrados. As unidades lógicas formam o “centro de operações e controle” do chip, enquanto as unidades de armazenamento constituem o “armazém de dados”, sendo responsáveis por mais de 70% do mercado de circuitos integrados. Impulsionados pela Lei de Moore, os transistores lógicos têm melhorado continuamente em desempenho através de processos de miniaturização e iteração de arquitetura, com a produção em massa de chips lógicos de 2 nanómetros já realizada, e CMOS operando em tensões tão baixas quanto 0,7V. No entanto, em comparação, a performance da memória não volátil tem evoluído de forma relativamente lenta nas últimas décadas, com a tecnologia de armazenamento Flash convencional enfrentando dificuldades de miniaturização para nós avançados; o mais importante, o armazenamento Flash requer uma alta tensão acima de 5V para apagar e reescrever dados. Assim, os chips atuais precisam integrar circuitos de conversão de voltagem entre unidades lógicas e de memória não volátil, o que aumenta o consumo de área e energia, além de outros problemas. Mais importante, o núcleo da arquitetura moderna de chips de IA depende da otimização do fluxo de dados, e a incompatibilidade de voltagem entre lógica e memória prejudica a troca de dados, atrasando o processamento de IA e aumentando significativamente o consumo de energia.

Perspectivas para a evolução da voltagem em chips lógicos e de memória compatíveis com estruturas de armazenamento ferroeletro de nanogate

O transistor ferroeletro utiliza a inversão de polarização do material ferroeletro para armazenar dados, sendo uma memória semicondutora com grande potencial na tecnologia pós-Moore, recebendo atenção tanto acadêmica quanto industrial. Com seu mecanismo de armazenamento bistável e estrutura de três terminais, há esperança de construir uma arquitetura integrada de armazenamento e processamento de alta velocidade, combinando armazenamento não volátil com computação rápida, sendo uma tecnologia-chave para superar a “parede de armazenamento” e revolucionar a arquitetura fundamental de IA. No entanto, até agora, devido às limitações físicas do voltagem de coercitividade do ferroeletro planar, os transistores ferroeletro tradicionais ainda precisam de uma tensão acima de 1,5V para inverter a polarização ferroeletro e apagar dados. Embora superior ao Flash, teoricamente, os transistores ferroeletro convencionais não podem reduzir a tensão abaixo de 0,7V, impossibilitando sua compatibilidade com níveis de voltagem lógica. Como alcançar armazenamento de ultra baixa voltagem abaixo de 0,7V é uma questão crucial para superar a “parede de armazenamento” e aumentar a capacidade de processamento de IA.

Caracterização elétrica de transistores ferroeletro de nanogate de ultra baixa voltagem

Neste trabalho, a equipe de Qiu Chenguang e Peng Lianmao propôs pela primeira vez a estrutura de “transistor ferroeletro de nanogate” e o “mecanismo de reforço do campo elétrico na porta nanométrica”. Através da otimização da estrutura do dispositivo, reduziram habilmente o tamanho da porta ao limite nanométrico. Aproveitando o efeito de concentração de campo na ponta da porta nanométrica, criaram uma região altamente localizada de forte concentração de campo elétrico na camada ferroeletro, ampliando efetivamente a intensidade do campo local, reduzindo significativamente a voltagem de inversão ferroeletro, superando o limite de coercitividade de ferroeletro convencional, e rompendo a ideia de que “baixo voltagem e alto campo coercitivo são incompatíveis”, alcançando uma tensão de operação ultra baixa de 0,6V, reduzindo a voltagem de armazenamento ferroeletro para níveis comparáveis aos de lógica. O transistor ferroeletro desenvolvido apresenta consumo de energia tão baixo quanto 0,45 fJ/μm, um avanço de uma ordem de grandeza em relação às reportagens internacionais existentes, com velocidade de armazenamento próxima de 1 nanosegundo. Este estudo revelou pela primeira vez no cenário internacional uma vantagem de miniaturização anômala do ferroeletro, onde a redução do comprimento físico da porta para 1 nanómetro intensifica a concentração e o reforço do campo elétrico, melhorando significativamente as características de armazenamento ferroeletro, demonstrando que os dispositivos ferroeletro têm vantagens notáveis na construção de chips de nós abaixo de 1 nanómetro.

Análise do mecanismo de ultra baixo consumo de energia do transistor ferroeletro de nanogate

(Origem: Caixin)