矽谷變「鐵谷」:鐵電材料有望突破計算機發展瓶頸

經過幾十年的反覆再造，矽電晶體開始顯現出了其發展的瓶頸，整個行業都開始尋找它的替代品。目前一種新的可供選擇的材料出現在了人們面前，如果這種材料可以成功運用於計算機領域，這將促使計算機處理器不僅能有效提高能源利用率而且還能夠提高運算能力並能用於存儲設備。

研究人員發現，他們可以利用電荷迅速地在四種不同狀態之間進行切換的鐵電材料來存儲數據。由這種材料製成的電晶體可以利用這些不同的電荷狀態表達比1和0更多這樣的基礎計算機數字邏輯，而且它還可以容納這些電荷狀態而不需要外部供電，這種材料也能夠處理信息以及存儲信息。

IBM的Watson研究中心的科學家Thomas N. Theis表示，如今矽電晶體已經縮小到了納米級別，它也遇到了難以提升綜合表現的瓶頸期，從而導致不能很好地協調功耗過高、散熱和速度等問題。而使用了這類處理器的產品都採用了各自不同的方式來克服這些挑戰。

加州大學伯克利分校的材料科學家Lane Martin指出，鐵電材料的一個主要優勢在於這個材料並不是一個新的半導體產業。富士通、德州儀器以及其他幾家公司都已經開始製作鐵電存儲設備。Martin表示，「我們只不過是將現有的這種材料技術用於一些新的領域，因此，如果有公司想要採用它，很快就可以達到規模化。」

Martin與理論化學家Andrew Rappe共同合作並在賓夕法尼亞大學進行建模並測試鐵電體。

與矽電晶體一樣，鐵電體可以在不同的狀態之間進行切換從而表達信息。但是切換的物理現象與矽晶體是完全不同的，鐵電體不局限於在傳導與絕緣狀態之間切換，鐵電材料也能切換電極——改變材料中電流的方向。

鐵電材料具有天然的電極，可以通過使用電場來改變電極方向。到目前為止該切換隻需要幾納秒，對於數據存儲來說這樣的速度足夠快，但對於進行數據處理而言，這樣的速度還有點慢，而且它需要消耗相當多的能量。

Martin用各種各樣的鐵電材料製作了產品進行測試，包括鋯鈦酸鉛，在測試中它展示出了更快的切換速度，並且只需要較低的電壓。測試結果公布在了Nature Materials雜誌上，從結果來看這些鐵電材料的切換速度比常規設計至少快了兩至三倍。

IBM的Theis表示，這項測試研究的結果似乎表明了我們對這些材料的理解又取得了非常重大的進步。

Martin表示，他和Rappe希望可以不僅僅局限於鐵電材料使用在存儲設備上。他們的一個想法是將這些鐵電體與矽材料進行結合，從而製作出一種新型電晶體。這種採用這種電晶體的裝置將會高效節能，並會將計算處理和存儲結合為一體。Martin表示，由於這種材料具有十分優異的特性，對於家庭用戶而言，即使發生斷電現象也無需擔心資料丟失；對於企業而言，由於可以集計算與存儲為一身，可以節省下建立數據中心的一大筆資金。

via technologyreview

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