手机超长待机有望？北大造出1纳米晶体管！能耗直接降一个数量级

手机超长待机、物联网传感器续航数年、可穿戴设备无需频繁充电——这些美好愿景，正因一项关键突破而加速照进现实。北京大学邱晨光-彭练矛团队成功研制出新型"纳米栅超低功耗铁电晶体管"，物理栅长仅1纳米，工作电压0.6伏，能耗比国际最好水平降低整整一个数量级。相关成果在线发表于国际学术期刊《科学·进展》。

传统芯片有个致命短板。电脑和手机处理器处理数据时，存储和计算是分开的，数据在两个模块之间来回搬运，不仅费时，也很费电。就像厨师做菜，每放一次调料都得跑回仓库拿，时间和体力都浪费了。在典型数据中心负载中，数据传输功耗可占总功耗的60%以上，远超计算单元本身。

铁电晶体管被寄予厚望，因为它能"存算一体"——既是仓库又是灶台，断电了信息也不会丢。利用铁电材料的极化翻转实现数据存储，将存储和计算功能完美融合在单一器件中，从根本上消除数据搬运。但致命短板是操作电压太高，通常超过1.5伏，导致功耗巨大，难以实际应用。

先进逻辑集成电路供电电压仅0.7伏，铁电存储器需额外电荷泵电路，牺牲集成密度、引入高延迟。北大团队的突破在于把晶体管关键部件栅极缩小到1纳米。这是什么概念？一根头发丝直径大约是8万至10万纳米。在这个原子级别尺度上，他们造出了一个极细的"电场探针"。

通电后，电场能量会像水流汇聚到针尖一样高度集中。结果就是，只需施加0.6伏的微小电压，就能轻松拨动这个"开关"，完成数据存储。就像用一根极细的针把力量集中在一点，轻松撬动原本需要大力气才能搬动的重物。

这种设计打破了传统铁电晶体管的物理限制。电压效率提升至125%，首次突破铁电材料100%的理论极限。物理栅长微缩到极限1纳米时显著汇聚并增强电场，展现反常的尺寸微缩优势。纳米栅极电场增强效应可扩展至广泛铁电材料体系，如HfO2、钙钛矿等。

性能参数很亮眼。物理栅长1纳米，全球最小铁电晶体管。工作电压0.6伏，低于主流芯片0.7伏。能耗水平0.45 fJ/μm，比国际最好水平降低一个数量级。开关速度1.6纳秒，比现有技术快三个数量级。开关比2×10⁶，远超商用标准。

如果未来走向实用，搭载这种芯片的手机、可穿戴设备、自动驾驶仪、云端服务器，都能用极少的电量完成大量计算和存储任务。智能手机超长待机成为可能，物联网传感器电池续航数年，可穿戴设备无需频繁充电。云端服务器用极少的电量完成大量任务，大幅降低数据中心运营成本。

对于正在飞速发展的AI技术，这更是一剂良药。如今的大模型和芯片都是"电老虎"，能耗已成为继续提升算力的最大阻碍。这种"越小越省电、越小越好用"的新器件，为突破这堵墙打开了一扇新的大门。特别适用于神经形态计算等先进领域，为构建下一代高能效计算芯片、高算力AI芯片架构提供新物理机制。

产业化路径已有规划。未来通过原子层沉积等标准CMOS工艺，有望研发出业界兼容的超低功耗铁电存储芯片。与现有硅基工艺兼容，降低产业化门槛。团队已申请兼容业界NAND结构和嵌入式SOC架构的关联专利集合，形成具有完全自主知识产权的"纳米栅超低功耗铁电晶体管"结构和工艺技术体系，有助于我国在新型存储领域打破国外技术壁垒。

审稿人评价，利用纳米尺度场汇聚机理实现超低电压存储的概念颇具新意，对构建更高效存储芯片有重要意义。从"厨师跑仓库拿调料"的冯·诺依曼困境，到"既是仓库又是灶台"的存算一体，铁电晶体管正在经历从"能用"到"好用"的关键一跃。当1纳米的栅极在原子级别尺度上汇聚电场能量，当0.6伏的微小电压就能轻松拨动"记忆开关"，当能耗降低一个数量级却性能倍增——这或许正是后摩尔时代芯片技术的中国答案。