在对节能计算的不懈追求中,加州大学圣巴巴拉分校设计的新设备显示出增强信息处理和数据存储的希望。
电气和计算机工程教授Kaustav Banerjee实验室的研究人员在《高级材料》杂志上发表了一篇新论文,描述了其中几种设备,“基于2D材料的量子工程设备,用于下一代信息处理和存储”。最近获得博士学位的Arnab Pal是主要作者。
每个设备都旨在以一种新的方式解决与传统计算相关的挑战。这四种晶体管都在非常低的电压下工作,其特点是低功耗,而智能手机中的传统金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)即使在关闭时也会消耗功率。但由于它们基于与制造MOSFET类似的处理步骤,新器件可以使用现有的半导体行业标准制造工艺大规模生产。
Banerjee表示,这两种信息处理设备中最有前途的是基于自旋的场效应晶体管或自旋FET,它利用为设备供电的电子的磁矩或自旋。在这种情况下,材料属于基于过渡金属的过渡金属二硫化物化合物组。
与自旋FET不同,基于电荷的场效应晶体管或TFET通过利用电子的量子力学性质来工作。由于称为波函数穿透的现象,电子能够隧道穿过薄电势垒,而不是像传统晶体管中那样流过它。TFET还可以在较低电压下运行,从而消耗更少的功率并产生更少的热量。用2D材料制成的TFET性能更好,因为它们更薄且更可控的电子隧道势垒,这既增强了电子流动,又使设备能够以更高的精度运行。
为了安全地存储数据,必须对设备的硬盘驱动器进行编程,以便即使在电源关闭时也能保持存储。要用普通的MOSFET做到这一点,Pal说,“你有源极(电子)和漏极(电子被收集的地方),然后是它们之间的通道,它控制这些载流子的流动。通道要么充当屏障,使电子无法穿过(关闭状态),要么导电性很强,因此它们可以穿过,即开启状态。要在普通的n型器件中产生流动,需要施加正栅极偏置(电压),从源极吸引带负电的电子穿过通道。
同时,基于电荷的浮栅场效应晶体管(FG-FET)信息存储设备的工作原理类似于MOSFET,但它不是只有一个栅电极,而是有两个栅电极。额外的电极称为浮栅。当MOSFET未编程时,浮动栅极上没有额外电荷。然而,在任何编程操作期间,都会在栅极上施加非常强的电压,导致许多载流子(电子)从沟道中被拉出并沉积在那里,并在那里被捕获。这种累积的负栅极电荷使得器件难以开启,因此难以将其编程为关闭。
据研究人员称,这种方法存在挑战。Pal说,其中之一是“将大量电荷拉到浮栅,这需要大量功率。” 此外,Banerjee补充道,“为了让这些电子到达浮栅以对器件进行编程,它们必须穿过介电层。一旦到达那里,它们也会泄漏回来,造成电荷保留问题。”
另一个问题是,如果许多FG FET放得很近——Pal说,“我们想在芯片上放尽可能多的,例如,增加拇指驱动器的容量”——器件上存储的电荷会相互作用,影响相邻的器件。使用超薄2D材料最大限度地减少了这种相互作用,同时增加了对单个设备的控制,从而即使在更多设备更密集地集中在芯片上时也能提供高性能。
另一种信息存储方法是使用磁隧道结(MTJ),它利用电子自旋来存储数据。MTJ由两个磁性层组成,两个磁性层被薄绝缘层隔开,各层磁矩的相对方向决定了器件的电阻。然而,与FG-FET类似,MTJ面临着与功耗、稳定性和可扩展性相关的挑战。同样,超薄二维材料通过减少相邻MTJ之间的相互作用提供了一种潜在的解决方案,从而实现高效、高密度的数据存储。
虽然基于2D材料的设备可以在能量和面积效率方面比使用传统材料制造的设备有所改进,但只有改变计算架构才能实现非凡的改进。进入被称为量子计算的全新架构。基于称为量子比特的量子比特的量子叠加,量子计算生成并行计算,从而在选择计算任务的速度和效率方面产生巨大的性能提升。
二维材料独特的结构和电磁特性可以提高更传统的基于电荷的量子位的效率,也可以有效地设计其他几种新型量子位,称为自旋、谷和自旋谷量子位。
在自旋量子位中,状态(开/关)的属性由量子位的电子自旋或量子态定义,它总是自旋向上或自旋向下。通过从上到下或从上到下翻转自旋来改变状态,以改变量子比特的状态并支持量子比特操作。
谷量子位的运行方式有些不同。它的状态取决于电子的动量,而不是它的自旋。电子动量的变化转化为量子比特状态的变化,有助于实现量子比特运算。
最后,二维材料的特性还有助于实现第三种类型的量子比特,即自旋谷量子比特,其状态由电子的动量和自旋定义。由于自旋谷量子比特耦合了这两个自由度,因此它们被认为对退相干更具弹性,从而允许在量子纠缠消失之前执行更长、更复杂的量子计算。
Pal说:“新兴设备凭借2D材料的独特特性,有望实现高效节能的高性能计算和存储,实现超越摩尔的集成,并在固态物理及其应用方面引发新的探索。”