我們的筆記本電腦和智能手機結構緊湊但功能強大，因為硅微電子（也稱為微芯片或芯片）是幾乎所有現代設備的數字肌肉背后的微型大腦。

但這種現代便利是有代價的。到 2030 年，如果我們不采取措施提高電子設備的能源效率，世界上大約 25% 的能源（其中大部分是通過燃燒富含碳的化石燃料產生的）可能會被電子設備消耗。

硅芯片起源于一種稱為 CMOS 的設計，它是互補金屬氧化物半導體的簡寫。正如 1975 年摩爾定律首次預測的那樣，CMOS 硅芯片正在接近小型化和性能的極限。幾十年來，科學家們一直在尋找超越摩爾定律限制以及硅 CMOS 芯片限制的新型電子材料。

現在，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室 (Berkeley Lab) 的科學家 Maurice Garcia-Sciveres 和 Ramamoorthy Ramesh 正在設計新的微芯片，它們的性能比硅更好，而且需要的能量更少。在接下來的三年中，他們將領導能源部最近授予近 5400 萬美元的 10 個項目中的兩個，以提高微電子設計和生產的能源效率。

他們在此問答中討論了他們的項目。

伯克利實驗室的科學家 Maurice Garcia-Sciveres（左）和 Ramamoorthy Ramesh 正在設計新的微芯片，它們的性能比硅更好，而且需要更少的能量。

Q：未來3年，你希望實現什么？你的工作有什么意義？

Garcia-Sciveres：我們的項目——“CMOS 上納米傳感器的共同設計和集成”（Co-Design and Integration of Nano-Sensors on CMOS）——旨在通過將由納米材料制成的微型光傳感器集成到傳統的 CMOS（互補金屬氧化物半導體）集成電路中來提高性能。（納米材料是在十億分之一米的超小尺度上設計的物質。）

CMOS 芯片是由硅制成的，但如果你看看硅使用了多功耗，就會發現它開始變得很重要——十年后，硅芯片將消耗我們能源的很大一部分。例如，與運行汽車所需的能量相比，運行自動駕駛汽車所需的計算消耗大量能量。我們需要用更少的能量進行計算，或者在沒有更多功率的情況下提高性能，但你不能用硅芯片來做到這一點，因為硅必須在一定的電壓下運行——而這些物理限制正在讓我們付出代價。

在我們的項目中，諸如碳納米管之類的納米材料——這種裝置非常小，肉眼看不見——將用作光傳感器。納米傳感器為 CMOS 芯片增加了新功能，從而提高了性能。

傳感是一個很好的初始應用，但當集成到芯片中時，碳納米管還可以用作處理數據的晶體管或開關。將許多碳納米管集成到硅芯片中可能會產生比現有技術更小、更快、更節能的新型電子設備。

Ramesh：在我們的項目“超越 CMOS 微電子技術的超低電壓的協同設計”（Co-Design of Ultra-Low-Voltage Beyond CMOS Microelectronics）中，我們計劃探索新的物理方向，從而顯著提高計算能效。這很重要，因為我們相信下一個摩爾定律可能會關注能量尺度而不是長度尺度，因為我們已經處于長度尺度的極限。

2015年前后，微電子能源消耗僅占全球一次能源總量的4-5%左右。一次能源通常是指以煤或天然氣為基礎的發電廠產生的化學能。這通常具有 35-40% 的電能轉換效率。

我們越來越依賴人工智能、機器學習和物聯網——即一切都以電子方式連接的物聯網，例如我們的交通系統、應急響應系統、可再生能源和電網系統——將導致電子產品的指數級增長從系統的角度。

這意味著到 2030 年，來自微電子的能源消耗預計將至少占一次能源的 25%。因此，使電子產品更節能是一件大事。

對于我們的項目，我們要問：“哪些基礎材料創新可以顯著降低微電子的能耗？” 我們正在尋找一個完全不同的框架，該框架使用協同設計方法探索新物理，其中材料物理、器件和電路設計、制造和測試以及芯片級架構方面的世界領先專家正在合作開展對通向下一代計算的途徑進行全面研究。

問：您的工作將支持哪些新應用，您將如何展示這些新功能？

Garcia-Sciveres：我們的工作將展示一個單光子成像儀，它可以測量它檢測到的每一個光子或光粒子的光譜——波長或能量。這允許高光譜成像——也就是說，每個像素可以分解成多種顏色的圖像，提供更多信息。高光譜成像有益于從宇宙學到生物成像的廣泛科學。

暗能量光譜實驗 ( DESI ) 是一項由伯克利實驗室管理的國際科學合作項目，它從之前用其他儀器拍攝的星系圖像開始，捕捉遙遠星系的光譜。這種增加的光譜信息有助于宇宙學家了解暗能量是如何塑造我們宇宙的膨脹的。如果對星系的原始觀測是使用高光譜成像儀進行的，那么光譜信息將一開始就可用。

高光譜成像的另一個日益增長的應用是對系外行星的研究。（我們太陽系中的行星圍繞太陽運行。圍繞其他恒星運行的行星稱為系外行星。）

但用于這些類型觀測的傳感器在絕對零以上不到 1 度的溫度下工作。我們的設備可以在更實際的溫度下工作，甚至可能達到室溫。

高光譜成像在醫學和生物科學中有許多應用，并且有許多商業儀器可用。然而，這些儀器都比普通相機更復雜、更昂貴，它們要么逐個像素地掃描物體，要么具有復雜的機器人纖維或過濾器排列。此外，這些儀器不具備單光子靈敏度。我們的設備將啟用一個簡單的相機，該相機可以提供具有單光子靈敏度的高光譜圖像。

Ramesh：我們的團隊旨在展示我們的協同設計平臺“Atoms to Architecture”的可行性和強大功能，該平臺基于兩個基本物理現象：

第一個是基于鐵電的晶體管架構中的一種新行為，它提供了一種減少硅基微電子器件總能量消耗的途徑。（鐵電體是一種具有電偶極子（或一對正電荷和負電荷）的材料，可通過電場進行切換。）第二種是使用一種新型材料對電子自旋進行低壓電場操縱，稱為多鐵性。

2014 年，我們展示了一種磁電材料，可以在 5 伏外加電壓下將電荷轉換為磁自旋。隨后與英特爾研究人員的合作展示了如何使用它來創建一類新的內存邏輯設備，稱為 MESO 設備，它使用自旋來執行邏輯操作。

對于我們計劃中的一個項目，我們將使用我們的磁電材料來探索可在 100 毫伏下工作的多鐵元素，從而顯著降低能耗。（毫伏是千分之一伏。）

我們的第二個項目是探索電容器器件的基本物理特性，其中鐵電層覆蓋在傳統的硅晶體管上，以通過所謂的負電容效應提高其能量效率。我們的設計將使微電子設備能夠同時執行存儲器和邏輯功能——這種方法與我們今天的計算機中的芯片完全不同，其中一種芯片執行邏輯或數據處理，另一種芯片存儲數據。

來源：半導體行業觀察