助力AI和量子计算发展的未来之星

铁电半导体是连接主流计算与下一代架构之间的有力技术竞争者，目前密歇根大学的一个团队已经将其制成了只有5纳米厚，大约是50个原子的厚度。

这将铁电技术与计算机和智能手机中使用的传统零部件相结合，以及扩大人工智能和传感能力铺平了道路。它们还可以实现无电池供电设备，这对物联网（IoT）至关重要，物联网可为智能家居提供动力，识别工业系统的问题，提醒人们安全风险等。

“这将帮助制造出可与主流半导体集成的具有超高效、超低功耗器件，”美国大学电机与计算机工程教授Zetian Mi表示。“这对未来的人工智能和物联网相关设备来说至关重要。”

铁电半导体非常与众不同，因为它们可以维持电极化，就像磁力的电版本。但与冰箱磁铁不同，它们可以切换哪一端是正极，哪一端是负极。这一特性适用于多种方式，包括感知光和声学振动，以及获取能量。

Mi表示：“这些铁电器件可以自供电。他们可以收获环境能量，这令人感到兴奋。”

它们也提供了存储和处理经典信息和量子信息的不同方式。例如，在计算中，两个电极化态可以作为一和零。这种计算方式还可以模拟神经元之间的连接，从而在大脑中实现记忆存储和信息处理。这种被称为神经形态计算的架构非常适合支持通过神经网络处理信息的AI算法。

以电极化方式存储能量所消耗的能量比RAM中的电容器还少，后者会不断消耗电力或丢失存储的数据，前者甚至可能比SSD更耐用。这种存储器可以实现更密集地封装，增加容量，并且对恶劣环境（包括极端温度、湿度和辐射）具有更强适应性。

Mi的团队此前在一种掺有钪的氮化铝制成的半导体中展示了铁电行为，钪是一种有时用于在具有特殊性能要求的自行车和战斗机中强化铝的金属。然而，为了将其应用于现代计算设备中，则需要将他们制成厚度小于10纳米的薄膜，大约100个原子的厚度。

他们使用了一种被称为分子束外延的技术实现了这一点，这是一种制造半导体晶体的方法，用来驱动CD和DVD播放机中的激光器。在一台机器中，他们能够放置一块5纳米厚的晶体，这是有史以来可实现的最小厚度。他们通过精确控制铁电半导体中的每一层原子，以及最小化原子表面的损失来实现这一厚度。

“通过减小厚度，也表明了我们很有可能可以降低工作电压，”电气和计算机工程研究科学家Ding Wang表示，“这意味着我们可以减小器件的尺寸，并降低运行期间的功耗。”

此外，纳米制造提高了研究人员研究该材料基本特性的能力，发现了其在小尺寸下的性能极限，并可能因其具有的不同寻常的光学和声学特性而为其在量子技术中的应用开辟了道路。

“达到这一厚度，我们可以真正探索微小尺寸下的物理相互作用，”密歇根大学电机和计算机工程研究科学家Ping Wang表示，“这将有助于我们开发未来的量子系统和量子器件。”

审核编辑 ：李倩