最近芯片圈里冒出一个实打实的喜讯。
北京大学团队把铁电晶体管做到1纳米栅长,这不光是尺寸最小,还把功耗压到国际最好水平的十分之一,直接给AI芯片找了条新出路。
想想现在大模型跑一次就烧电,这项成果来得正是时候。
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铁电晶体管直击“内存墙”痛点
当前AI算力飞速增长,可存储和计算还得来回倒腾数据,像两条腿跑步却总踩空。这就是业内常说的“内存墙”,浪费大量电能。
铁电晶体管不一样,它能把存储和计算放在一个器件里,数据不用搬家就能处理,效率高很多。传统铁电晶体管电压要1.5伏以上,跟现在0.7伏左右的逻辑电路不搭,实用起来难。北大团队这次直接把这个老大难解决了。
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团队用金属性单壁碳纳米管做栅极,把物理栅长精确控制在1纳米。碳纳米管直径本身就细到原子级别,尖端效应让电场在铁电层里高度集中。
结果只需0.6伏电压,就能让铁电材料翻转极化状态,能耗降到每微米0.45飞焦耳。开关比达到200万倍,编程时间1.6纳秒。这些参数都是实测出来的,远超过去同类器件。
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纳米栅极设计实现尺寸与功耗双突破
说起这个1纳米栅极,核心就是电场汇聚。
栅极越小,局部电场越强,铁电层需要的外部电压自然就低。团队选二硫化钼做沟道,多层CuInP2S6铁电材料配合氮化硼介电层,整个结构兼容标准CMOS工艺。
过去大家觉得铁电晶体管尺寸越小性能越差,这次实验却发现1纳米时反常地变好了,短沟道效应也被免疫掉。这等于在亚1纳米节点给芯片开了条新通道。
成果在2月23日见报,论文在线发在《科学进展》上,团队已经申请了中国专利,形成完整自主知识产权体系。
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这项技术为国产AI芯片铺路
从数据中心到手机端,AI都需要低功耗高密度存储。这款晶体管正好匹配逻辑电压,能直接嵌入现有架构,省掉额外电源转换。
未来大规模生产时,用原子层沉积就能把碳纳米管和二维材料整齐铺到晶圆上,良率提升后就能量产。产业链上材料、设备企业已经在对接,目标是让存算一体芯片早点落地。
彭练矛院士长期做碳基电子学,邱晨光研究员专注纳米器件,两人合作多年,积累了从材料到测试的全链条经验。
这次突破不是一蹴而就,而是十几年冷板凳磨出来的。国产芯片过去在先进制程被卡,现在换赛道走碳基和铁电路线,主动权就握在自己手里。
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实验室里一个器件好用,放到几百亿晶体管的芯片上,还得解决纯度、均匀性、贴合这些工程题。半导体产业就是这样,基础研究打前站,工程部队跟进冲锋。
北大团队把机理和结构定下来,接下来产业链要接力,把良率从实验室级别提到量产标准。国家也在推动相关平台建设,预计几年内就能看到初步应用。
1纳米铁电晶体管让中国在下一代芯片底层有了实打实的牌。AI能耗降下来,算力密度升上去,手机续航长了,数据中心电费省了,这些都是老百姓能感受到的实惠。技术路子走对了,后面的故事会越来越有看头。
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