超越0和1:新晶体管有望成为通向量子设备的桥梁

材料科学与工程教授Kyeongjae Cho博士等开发了氧化锌型多值逻辑晶体管。

在新的晶体管中，两种类型的氧化锌结合形成了一种新的复合纳米层（左图）。计算机模型展示了新结构的电子密度分布（右图）。

几十年来，芯片制造商不断开发出缩小单个晶体管尺寸的方法，使得电脑等电子设备体积越变越小，运行速度越来越快。把更多的晶体管封装到芯片上是计算机学家们不懈努力的目标。phys.org网站5月30日报道，这种追求极致的竞赛似乎已经快结束了：研究人员将晶体管模型的尺寸已经缩小到10纳米级别，这可能是晶体管尺寸的物理最小值了。美国德克萨斯大学达拉斯分校材料科学与工程教授Kyeongjae Cho博士说：“电子设备的运算处理能力取决于电脑芯片上搭载的数以亿计的晶体管。我们正在接近晶体管规模化的下限。”

为了提高计算机的处理速度，微电子行业一直在寻找替代技术。Cho等通过扩大晶体管的“词汇量”，提供了一种解决方案。传统晶体管只能传递“开/关”两种信息，转换为二进制语言就是1和0。如果想提高芯片处理能力，又不希望增加晶体管数量，那么在二进制“开/关”状态之间引入中间状态，将是显著提高每个晶体管传递信息量的好策略。基于这一原理的多值逻辑晶体管可以让设备进行更多的操作，处理更多的信息。Cho说：“多值逻辑晶体管的概念并不新鲜，已经有很多研究人员进行过类似尝试。而我们确实做到了这一点。”通过理论、设计和仿真，Cho的团队开发了一种基于氧化锌的多值逻辑晶体管技术。他们的韩国合作方成功制造并评估了原型设备的性能：Cho的设备能够在0和1之间实现两种电子稳定的可靠中间状态，从而将每个晶体管的逻辑值增加到3~4个。

Cho认为，这项新成果的意义非常重大，它不仅与现有计算机芯片兼容，还能为传统计算机和量子计算机架起联系的桥梁。他说：“包含多级逻辑的设备比传统计算机更优秀。量子计算机距离商业化还比较遥远，但晶体管作为一项非常成熟的技术，还能持续发挥能量。传统计算机和量子计算机之间存在着巨大的差异，人类需要有一种连通两者的桥梁。我们的成果虽然不像量子计算机那样具有革命性，但它正在朝着这个方向前进。”

Cho等在新技术中使用了两种氧化锌构成的复合纳米层结构，并将其与超晶格中的其他材料进行了结合。研究人员发现，在非晶态氧化锌中嵌入氧化锌晶体，可满足多值逻辑所需的物理特性。Cho说：“通过工程设计，我们创造出了一种新的电子结构，从而使多层次的逻辑行为成为了现实。氧化锌具有晶体固体和非晶态固体等形态，在研究伊始是一种不错的选择，但它可能并不是最理想的材料。我们将在下一阶段对材料和设计进行优化。展望未来，我还希望看看这项技术如何与量子设备联系起来。”

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编译：雷鑫宇 

审稿：阿淼  

责编：唐林芳 

期刊来源：《自然通讯》

期刊编号：2041-1723

原文链接：

https://phys.org/news/2019-05-boost-potential-successor-transistors.html

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