Лише 1 нанометр, найнижче споживання енергії! Команда Пекінського університету досягла важливого прориву у галузі чіпів

За офіційною інформацією Електронної академії Пекінського університету, університет досяг проривних результатів у галузі нерозторгнених пам’ятей. Команда науковців Електронної академії під керівництвом Цю Ченьгуанга та Пень Лянмао успішно зменшила фізичну довжину затвора фероїдних транзисторів до межі 1 нанометра, створивши найменший у світі та найменш енергоспоживаючий фероїдний транзистор, що має потенціал для підвищення обчислювальної потужності та енергоефективності AI-чипів. Відповідні дослідження опубліковані онлайн у журналі «Science Advances».

Знімок статті

Логічні пристрої та пам’яті є двома основними компонентами побудови інтегральних схем. Логічні елементи формують «центральний процесор обчислень і управління», а пам’яті — «склад даних», обидва займають понад 70% ринку інтегральних схем. За умов закону Мура, логічні транзистори вдосконалюються шляхом мініатюризації та архітектурних ітерацій, що підвищує їхню продуктивність; наразі у промисловості вже запущено масове виробництво логічних чипів на 2-нанометровому процесі, а CMOS-транзистори працюють при низькій напрузі 0,7 В. Однак, у порівнянні з цим, продуктивність нерозторгнених пам’ятей залишається відставною: основна технологія Flash-пам’яті не може бути мініатюризована до передових вузлів, а для стирання даних потрібно напруга понад 5 В. Це означає, що існуючі чипи повинні мати додаткові схеми підвищення та зниження напруги між логічними та нерозторгненими компонентами, що спричиняє додаткові витрати площі та енергії. Ще важливіше, що сучасна архітектура AI-чипів зосереджена на оптимізації потоків даних, і розрив у напругах між логікою та пам’яттю призводить до погіршення обміну даними, що суттєво знижує обчислювальну потужність та збільшує енергоспоживання.

Перспективи розвитку напруги логічних та пам’ятних чипів у контексті сумісних структур нерозторгнених пам’ятей із нано-затворами

Фероїдний транзистор, що використовує поляризацію фероїдного матеріалу для зберігання даних, є перспективною напівпровідниковою пам’яттю у технологіях пост-Мур, що привертає широке академічне та промислове увагу. Завдяки механізму двохстабільної поляризації та трьохвходовій структурі, він має потенціал для створення нерозторгненої архітектури «обчислення і зберігання», що поєднує високошвидкісні обчислення з довготривалим зберіганням даних, і є ключовою технологією для подолання «стіни пам’яті» та революційних змін у базовій архітектурі AI. Однак, через фізичні обмеження напруги перемикання фероїдних матеріалів, традиційні фероїдні транзистори потребують напруги понад 1,5 В для поляризації та стирання даних. Хоча вони кращі за Flash, теоретично вони не можуть знизити напругу до 0,7 В і нижче, що ускладнює їхню сумісність із логічною напругою. Важливою задачею є розробка технологій збереження даних при напрузі нижче 0,7 В для подолання «стіни пам’яті» та підвищення обчислювальної потужності AI-чипів.

Електричні характеристики фероїдних транзисторів із нано-затворами при наднизьких напругах

У цій роботі команда Цю Ченьгуанга та Пень Лянмао вперше запропонувала структуру «фероїдного транзистора з нано-затвором» та механізм «посилення електричного поля нано-затворами». Завдяки оптимізації структури пристрою та зменшенню розміру затвора до нанометрового рівня, використано ефект концентрації електричного поля на гострих кінцях нано-затворів для створення висококонцентрованої області сильного електричного поля у фероїдному шарі. Це значно підвищує локальну напругу та зменшує необхідну напругу перемикання фероїдної поляризації, перевищуючи межі звичайних плоских фероїдних матеріалів і руйнуючи уявлення про те, що «низька напруга і високий електричний поля не можуть співіснувати». В результаті, досягнуто наднизької робочої напруги 0,6 В, а енергоспоживання знизилося до 0,45 фж/μм, що є провідним у світі показником у порівнянні з попередніми дослідженнями, а швидкість зберігання даних наближається до 1 наносекунди. Це перше у світі відкриття, що фероїдні транзистори мають несподівані переваги при мініатюризації, оскільки зменшення фізичної довжини затвора до 1 нанометра значно посилює електричне поле та покращує характеристики зберігання фероїдних даних, що демонструє їхню перспективність для створення майбутніх чипів із субнанометровими вузлами.

Аналіз механізмів наднизького енергоспоживання фероїдних транзисторів із нано-затворами

(Джерело: Caixin)