MIT Discovery为非硅计算机晶体管提供了新的承诺

时间：2021-12-20 16:52:20 来源：

: 麻省理工学院的研究人员发现，一种名为InGaAs的合金材料可能适用于高性能计算机晶体管。如果在高频下运行，InGaAs晶体管有一天可以与硅竞争。该图像显示了传统上由硅制成的固态存储晶圆。

一旦被认为仅适用于高速通信系统，一种名为InGaAs的合金有一天可能会在高性能计算中与硅相匹敌。

几十年来，一种材料一直主导着计算机芯片和晶体管的生产，以致世界科技之都-硅谷（Silicon Valley）而得名。但是硅的统治可能不会永远持续下去。

麻省理工学院的研究人员发现，一种名为InGaAs（砷化铟镓）的合金可能具有制造更小，更节能的晶体管的潜力。以前，研究人员认为InGaAs晶体管的性能在小范围内会下降。但是新的研究表明，这种明显的变质并不是材料本身的固有特性。

这一发现有一天可以帮助推动计算能力和效率超越硅所能提供的。该研究的主要作者蔡小伟说：“我们真的很兴奋。”“我们希望这一结果将鼓励社区继续探索将InGaAs用作晶体管的通道材料。”

蔡现在在ADI公司工作，当时是MIT微系统技术实验室和电气工程与计算机科学系（EECS）的博士研究生，与Donner教授Jesúsdel Alamo一起完成了这项研究。她的合著者包括马德里理工大学的JesúsGrajal，以及麻省理工学院的Alon Vardi和del Alamo。该论文将在本月的虚拟IEEE国际电子设备会议上发表。

晶体管是计算机的基础。它们作为开关的作用（停止电流或让电流流动）引起了一系列惊人的计算-从模拟全球气候到在Youtube上播放猫视频。一台笔记本电脑可能包含数十亿个晶体管。为了像几十年来一样在未来提高计算能力，电气工程师将不得不开发更小，更紧凑的晶体管。迄今为止，硅已成为晶体管的首选半导体材料。但是InGaAs已显示出成为潜在竞争对手的暗示。

即使在低电压下，电子也可以轻松穿过InGaAs。蔡说，这种材料“已知具有出色的[电子]传输性能”。InGaAs晶体管可以快速处理信号，从而有可能加快计算速度。另外，InGaAs晶体管可以在相对较低的电压下运行，这意味着它们可以提高计算机的能源效率。因此，InGaAs似乎是用于计算机晶体管的有前途的材料。但是有一个陷阱。

InGaAs的良好电子传输性能似乎在小规模上变坏了，这是构建更快，更密集的计算机处理器所需的规模。这个问题使一些研究人员得出结论，即纳米InGaAs晶体管根本不适合该任务。但是，蔡说，“我们发现这是一个误解。”

该团队发现InGaAs的小规模性能问题部分归因于氧化物陷阱。这种现象会导致电子在试图流过晶体管时被卡住。“应该将晶体管用作开关。您希望能够接通电压并拥有大量电流，”蔡说。“但是，如果您被电子束缚，将会打开电压，但是通道中只有非常有限的电流。因此，当您遇到这种氧化物陷阱时，开关能力会大大降低。”

蔡的团队通过研究晶体管的频率依赖性（电脉冲通过晶体管的传输速率）来确定氧化物陷阱的罪魁祸首。在低频下，纳米级InGaAs晶体管的性能似乎下降了。但是，在1 GHz或更高的频率下，它们工作得很好–氧化物捕获不再是障碍。她说：“当我们以很高的频率操作这些设备时，我们注意到性能非常好。”“他们在硅技术上具有竞争力。”

蔡希望她的团队的发现将为研究人员提供新的理由来研究基于InGaAs的计算机晶体管。这项工作表明，“要解决的问题实际上不是InGaAs晶体管本身。这就是这个氧化物捕集的问题。”她说。“我们认为这是一个可以解决或解决的问题。”她补充说，InGaAs在经典和量子计算应用中都显示出了希望。

“这个[研究]领域仍然非常非常令人兴奋，” del Alamo说。“我们在将晶体管推向极致性能方面蒸蒸日上。”有一天，这种极端的性能可能要归功于InGaAs。

这项研究得到了美国国防部减少威胁机构和国家科学基金会的部分支持。

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