鐵電材料有望使計算機告別硅時代

鐵電材料有望使計算機告別硅時代！！！

經過幾十年的反復再造，硅晶體管開始顯現出了其發展的瓶頸。鐵電材料（Ferroelectric materials）可使計算機不再運用數字邏輯進行計算。

如這張彩色照片中所示，鐵電材料的這種魚脊形結構或許可以使它適于作為晶體管使用。

　　經過幾十年的反復再造，硅晶體管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，一種新的符合計算機行業使用要求的材料出現在人們面前。如果這種材料可以成功運用于計算機領域，這將使計算機處理器不僅能有效提高能源利用率，而且能夠提高運算能力和存儲能力。

　　經過研究，研究人員發現，他們可以利用電荷在四種不同狀態之間進行快速切換的鐵電材料來存儲數據。由這種材料制成的晶體管可以利用這些不同的電荷狀態表達比1和0更多的計算機數字邏輯基礎，而且它不需要外部供電即可保持這些電荷狀態，這種材料既可以處理信息也可儲存信息。

　　如今的硅晶體管已縮小到了納米級別，已經達到性能極限，不能很好地處理功耗過高、散熱和速度等問題。

托馬斯·塞伊斯（Thomas N. Theis）是位于紐約約克鎮的IBM公司沃森（Watson）研究中心的科學家，他是一家工業財團半導體研究集團下屬的納米電子學研究創新計劃的執行董事，他認為，使用了這類處理器的產品都需要用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萊恩·馬丁（Lane Martin）目前領導這項新研究。他指出，鐵電材料的一個主要優勢在于，這種材料對于半導體產業來說并不是新生事物。富士通、德州儀器以及其他幾家公司都已經制造出了鐵電存儲設備。

　　“我們只不過是將現有的這種材料進行升級，如果有公司想要采用它，它不會像新材料那樣要十年才能實現規模化，”馬丁這樣說道。

　　馬丁正與理論化學家安德魯·瑞普（Andrew Rappe）共同合作在賓夕法尼亞大學進行建模并測試鐵電體。

　　與硅晶體管一樣，鐵電元件可以在不同狀態之間進行切換來表達信息。但是切換的物理特性與硅晶體管是*不同的。鐵電體不是在傳導與絕緣狀態之間切換，而是切換電極，即改變電荷在材料中的位置。

　　鐵電材料具有天然的電極，可以通過電場來改變電極方向。到目前為止，切換只需要幾納秒，對于數據存儲來說這已足夠快了，但對于數據處理而言，這樣的速度還是太慢，而這需要消耗相當多的能量。

　　瑞普預測，通過增大鐵電晶體一定角度并從另一個角度施加電場，鐵電材料的切換會發生改變。除了上下兩極切換，還有一種瑞普稱為“次狀態”的中間狀態。

　　馬丁對用各種不同鐵電材料制作的元件進行測試，包括鋯鈦酸鉛。在測試中，當狀態從上電極狀切換到次狀態再到下電極狀態時，與從上電極直接切換到下電極相比，它展示出了更快的切換速度，而且只需要較低的電壓。測試結果公布在了《Nature Materials》雜志上。

　　馬丁指出，這種鐵電材料的切換速度比常規設計至少快了兩至三倍。

　　IBM的塞伊斯表示，這項測試研究的結果似乎表明了，我們對這些材料的了解取得了“非常重大的進步”。

　　馬丁表示，他和瑞普希望，不僅僅局限于將鐵電材料應用于存儲設備上。他們的一個想法是，將這些鐵電材料與硅材料進行結合，從而制造出新型晶體管。這種新設備將會節能，會將計算處理與存儲結合為一體。

　　“如果發生斷電現象，你可在電源恢復后繼續原來的工作，這對于家庭用戶而言十分便利，而且節省了數據中心的開支，”馬丁這樣說道。