背景
　　如今，数字计算机，特别是超级计算机，已具备非常强大的计算能力。但是面对某些复杂问题时，传统计算机还是无法胜任，不能像人脑那样低能耗、高效率地进行运算并解决问题。
　　这个问题的主要原因是，传统计算机大多采用了冯·诺依曼体系结构。冯·诺依曼体系结构是由美籍匈牙利科学家冯·诺依曼（John von Neumann）于1946年提出的。
　　在冯·诺依曼体系结构中，存储器存储程序指令和数据；处理器执行指令与处理相关数据。可是，存储器与处理器是完全分离的两个单元，数据需要在处理器与内存之间来回移动。随着计算机技术不断进步，处理器速度不断提高，内存容量也不断扩大，可是内存访问速度的增长却缓慢，成为了计算机整体性能的一个重要瓶颈，也就是所谓的“内存墙”问题。因此，无论硬件可以做得多小或者多快，架构中都存在着这样一个固有的瓶颈。
　　相比之下，人脑优势明显。它不仅可并行处理和存储大量数据，而且能耗极低。人脑处于全方位的互联状态，其中的逻辑（处理信息）和记忆（存储信息）功能紧密关联，其密度和多样性均是现代计算机的数十亿倍。
　　因此，科学家们希望从人脑结构中汲取灵感，来解决传统计算机所固有的问题。他们试图模仿人脑的神经元与突触，在同一地点处理和存储信息。为此，他们努力打造了许多新型器件，其中比较典型的有忆阻器、光学类脑计算芯片等。
　　下图中，左图展示了生物大脑中的一个突触，也是右图中人工模仿物的灵感来源。右图是用铁电隧道结实现的忆阻器，即夹在氮化钛电极（蓝色线）和硅衬底（海蓝色）之间的氧化铪薄膜（粉红色），硅衬底的另一个角色就是第二个电极。通过改变氧化铪的极化，电脉冲使忆阻器在高低电阻之间切换，从而改变其导电性。

（图片来源：Elena Khavina/MIPT新闻办公室）

　　基于光线的脑启发芯片示意图。（图片来源：Johannes Feldmann）

　　创新
　　今天，笔者要为大家介绍美国普渡大学工程师们开发的新方案，它旨在将存储器与处理器结合成为一个设备。这样一来，芯片上就会腾出更多的空间，从而运转得更快速、更强大。在这个方案中，过去常常用于处理信息的数百万个微型开关（晶体管），成为了集存储与处理功能于一身的设备。
　　美国普渡大学研制出新型铁电半导体场效应晶体管
　　（图片来源：普渡大学/Vincent Walter）
　　研究人员们在《自然·电子学（Nature Electronics）》期刊上详细描述了这一方案。该方案通过解决另一个问题来实现这个目标，也就是说，将晶体管与所谓的“铁电随机存取存储器（ferroelectric RAM）”结合起来。铁电随机存取存储器比大多数计算机中使用的存储技术性能更高。
　　技术
　　数十年来，研究人员们一直尝试将信息处理与存储功能合二为一，但问题出现在铁电材料与硅（组成晶体管的材料）之间的界面上。相反，铁电随机存储器作为芯片上的独立单元来运行，限制了它让计算变得更高效的潜力。
　　普渡大学电气与计算机工程系教授叶培德（Peide Ye）领导的团队找到了破解硅与铁电材料之间死敌关系的方法。
　　叶教授表示：“我们采用具有铁电特性的半导体。这样一来，两种材料变成一种材料，你不必再担心界面问题。”
　　结果就制造出了一种所谓的“铁电半导体场效应晶体管”，它与目前计算机芯片上所用的晶体管的制造方法相同。
　　α-In2Se3 这种材料不仅具有铁电特性，还可以解决传统铁电材料通常用作绝缘体而不是半导体的问题，这个问题是由于所谓的宽“带隙”，也就是说，电流无法通过，也没有进行计算。α-In2Se3 的带隙要窄得多，在成为半导体的同时又不会丧失铁电特性。
　　普渡大学电气与计算机工程系博士后研究员司梦伟（Mengwei Si，音译），构造并测试了这种晶体管，发现其性能堪比现有的铁电场效应晶体管，并且通过更多的优化可以超越它们。普渡大学电气与计算机工程系助理教授 Sumeet Gupta 以及博士研究生 Atanu Saha 提供了建模支持。
　　司梦伟与叶培德的团队也与佐治亚理工学院的研究人员合作，将 α-In2Se3 构造到芯片上的一片空间中，这片空间也称为铁电隧道结。工程师们可用它来提升芯片性能。12月9日，团队在2019年度国际电子设备会议上展示了这项成果。
　　过去，研究人员们一直都无法构造高性能的铁电隧道结，因其宽带隙使材料太厚，以至电流无法流过。然而 α-In2Se3 的带隙要窄得多，因此材料厚度仅为10纳米，可允许更多电流流过。
　　叶教授表示，较多的电流让器件面积可缩小至几纳米，使芯片更密集、更节能。较薄的材料，甚至薄至一层原子的厚度，也意味着隧道结两侧的电极可以变小很多，从而有利于构造模仿人脑神经网络的电路。
　　关键字
　　芯片、晶体管、铁电材料
　　参考资料
　　【1】Mengwei Si, Atanu K. Saha, Shengjie Gao, Gang Qiu, Jingkai Qin, Yuqin Duan, Jie Jian, Chang Niu, Haiyan Wang, Wenzhuo Wu, Sumeet K. Gupta, Peide D. Ye. A ferroelectric semiconductor field-effect transistor. Nature Electronics, 2019; DOI: 10.1038/s41928-019-0338-7
　　【2】https://www.purdue.edu/newsroom/releases/2019/Q4/reorganizing-a-computer-chip-transistors-can-now-both-process-and-store-information.html