Новый подход к проектированию "нано-затвора" позволяет преодолеть разницу напряжений между памятью и логическими элементами, что может значительно снизить энергопотребление при передаче данных в системах искусственного интеллекта.

Исследовательская группа из Пекинского университета и Китайской академии наук создала самый компактный в мире ферроэлектрический транзистор с длиной затвора всего 1 нанометр. Это устройство, подробно описанное в журнале Science Advances, функционирует при напряжении 0,6 вольта, что позволяет устранить одно из основных энергетических ограничений в полупроводниковой индустрии.

Современные логические микросхемы обычно работают при напряжении около 0,7 вольта, тогда как энергонезависимая память, например NAND flash, требует для записи 5 вольт и выше. Даже предыдущие ферроэлектрические полевые транзисторы (FeFET) нуждались в напряжении более 1,5 вольта. Несовпадение рабочих напряжений приводит к необходимости использования дополнительных схем повышения напряжения, что увеличивает затраты энергии и занимает место на кристалле. В типичных чипах для искусственного интеллекта на передачу данных уходит от 60 до 90% общего энергопотребления, тогда как на вычисления — значительно меньше.

Для решения этой проблемы команда применила металлические однослойные углеродные нанотрубки в качестве электродов затвора. Такая конструкция действует как нанонаконечник, концентрируя электрическое поле и усиливая связь между ферроэлектрическим слоем и каналом транзистора.

Усиление поля позволяет переключать состояние поляризации при напряжении всего 0,6 вольта, что ниже стандартного логического напряжения, при этом устройство сохраняет устойчивость к эффектам короткого канала.

Ферроэлектрические транзисторы на основе дисульфида молибдена (MoS₂) демонстрируют высокие характеристики памяти: отношение токов включения и выключения достигает 2 миллионов, а скорость программирования составляет 1,6 наносекунды. Благодаря совместимости по напряжению между памятью и логикой отпадает необходимость в дополнительных схемах накачки заряда, что открывает возможности для быстрого обмена данными.

Основной принцип работы устройства применим к различным ферроэлектрическим материалам и совместим со стандартными промышленными производственными процессами. Эта разработка может сыграть ключевую роль в создании энергоэффективных решений для крупных моделей искусственного интеллекта, периферийных вычислений и носимых устройств, где экономия энергии имеет решающее значение.