大幅度降低芯片功耗，美国团队提出新方法

infowei · 发表于 2022-1-25 17:20:31

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我们的笔记本电脑和智能手机结构紧凑但功能强大，因为硅微电子（也称为微芯片或芯片）是几乎所有现代设备的数字肌肉背后的微型大脑。

但这种现代便利是有代价的。到 2030 年，如果我们不采取措施提高电子设备的能源效率，世界上大约 25% 的能源（其中大部分是通过燃烧富含碳的化石燃料产生的）可能会被电子设备消耗。

硅芯片起源于一种称为 CMOS 的设计，它是互补金属氧化物半导体的简写。正如 1975 年摩尔定律首次预测的那样，CMOS 硅芯片正在接近小型化和性能的极限。几十年来，科学家们一直在寻找超越摩尔定律限制以及硅 CMOS 芯片限制的新型电子材料。

现在，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室 (Berkeley Lab) 的科学家 Maurice Garcia-Sciveres 和 Ramamoorthy Ramesh 正在设计新的微芯片，它们的性能比硅更好，而且需要的能量更少。在接下来的三年中，他们将领导能源部最近授予近 5400 万美元的 10 个项目中的两个，以提高微电子设计和生产的能源效率。

他们在此问答中讨论了他们的项目。

伯克利实验室的科学家 Maurice Garcia-Sciveres（左）和 Ramamoorthy Ramesh 正在设计新的微芯片，它们的性能比硅更好，而且需要更少的能量。

Q：未来3年，你希望实现什么？你的工作有什么意义？

Garcia-Sciveres：我们的项目——“CMOS 上纳米传感器的共同设计和集成”（Co-Design and Integration of Nano-Sensors on CMOS）——旨在通过将由纳米材料制成的微型光传感器集成到传统的 CMOS（互补金属氧化物半导体）集成电路中来提高性能。（纳米材料是在十亿分之一米的超小尺度上设计的物质。）

CMOS 芯片是由硅制成的，但如果你看看硅使用了多功耗，就会发现它开始变得很重要——十年后，硅芯片将消耗我们能源的很大一部分。例如，与运行汽车所需的能量相比，运行自动驾驶汽车所需的计算消耗大量能量。我们需要用更少的能量进行计算，或者在没有更多功率的情况下提高性能，但你不能用硅芯片来做到这一点，因为硅必须在一定的电压下运行——而这些物理限制正在让我们付出代价。

在我们的项目中，诸如碳纳米管之类的纳米材料——这种装置非常小，肉眼看不见——将用作光传感器。纳米传感器为 CMOS 芯片增加了新功能，从而提高了性能。

传感是一个很好的初始应用，但当集成到芯片中时，碳纳米管还可以用作处理数据的晶体管或开关。将许多碳纳米管集成到硅芯片中可能会产生比现有技术更小、更快、更节能的新型电子设备。

Ramesh：在我们的项目“超越 CMOS 微电子技术的超低电压的协同设计”（Co-Design of Ultra-Low-Voltage Beyond CMOS Microelectronics）中，我们计划探索新的物理方向，从而显着提高计算能效。这很重要，因为我们相信下一个摩尔定律可能会关注能量尺度而不是长度尺度，因为我们已经处于长度尺度的极限。

2015年前后，微电子能源消耗仅占全球一次能源总量的4-5%左右。一次能源通常是指以煤或天然气为基础的发电厂产生的化学能。这通常具有 35-40% 的电能转换效率。

我们越来越依赖人工智能、机器学习和物联网——即一切都以电子方式连接的物联网，例如我们的交通系统、应急响应系统、可再生能源和电网系统——将导致电子产品的指数级增长从系统的角度。

这意味着到 2030 年，来自微电子的能源消耗预计将至少占一次能源的 25%。因此，使电子产品更节能是一件大事。

对于我们的项目，我们要问：“哪些基础材料创新可以显着降低微电子的能耗？” 我们正在寻找一个完全不同的框架，该框架使用协同设计方法探索新物理，其中材料物理、器件和电路设计、制造和测试以及芯片级架构方面的世界领先专家正在合作开展对通向下一代计算的途径进行全面研究。

问：您的工作将支持哪些新应用，您将如何展示这些新功能？

Garcia-Sciveres：我们的工作将展示一个单光子成像仪，它可以测量它检测到的每一个光子或光粒子的光谱——波长或能量。这允许高光谱成像——也就是说，每个像素可以分解成多种颜色的图像，提供更多信息。高光谱成像有益于从宇宙学到生物成像的广泛科学。

暗能量光谱实验 ( DESI ) 是一项由伯克利实验室管理的国际科学合作项目，它从之前用其他仪器拍摄的星系图像开始，捕捉遥远星系的光谱。这种增加的光谱信息有助于宇宙学家了解暗能量是如何塑造我们宇宙的膨胀的。如果对星系的原始观测是使用高光谱成像仪进行的，那么光谱信息将一开始就可用。

高光谱成像的另一个日益增长的应用是对系外行星的研究。（我们太阳系中的行星围绕太阳运行。围绕其他恒星运行的行星称为系外行星。）

但用于这些类型观测的传感器在绝对零以上不到 1 度的温度下工作。我们的设备可以在更实际的温度下工作，甚至可能达到室温。

高光谱成像在医学和生物科学中有许多应用，并且有许多商业仪器可用。然而，这些仪器都比普通相机更复杂、更昂贵，它们要么逐个像素地扫描物体，要么具有复杂的机器人纤维或过滤器排列。此外，这些仪器不具备单光子灵敏度。我们的设备将启用一个简单的相机，该相机可以提供具有单光子灵敏度的高光谱图像。

Ramesh：我们的团队旨在展示我们的协同设计平台“Atoms to Architecture”的可行性和强大功能，该平台基于两个基本物理现象：

第一个是基于铁电的晶体管架构中的一种新行为，它提供了一种减少硅基微电子器件总能量消耗的途径。（铁电体是一种具有电偶极子（或一对正电荷和负电荷）的材料，可通过电场进行切换。）第二种是使用一种新型材料对电子自旋进行低压电场操纵，称为多铁性。

2014 年，我们展示了一种磁电材料，可以在 5 伏外加电压下将电荷转换为磁自旋。随后与英特尔研究人员的合作展示了如何使用它来创建一类新的内存逻辑设备，称为 MESO 设备，它使用自旋来执行逻辑操作。

对于我们计划中的一个项目，我们将使用我们的磁电材料来探索可在 100 毫伏下工作的多铁元素，从而显着降低能耗。（毫伏是千分之一伏。）

对于我们计划中的一个项目，我们将使用我们的磁电材料来探索可在 100 毫伏下工作的多铁元素，从而显着降低能耗。（毫伏是千分之一伏。）

我们的第二个项目是探索电容器器件的基本物理特性，其中铁电层覆盖在传统的硅晶体管上，以通过所谓的负电容效应提高其能量效率。我们的设计将使微电子设备能够同时执行存储器和逻辑功能——这种方法与我们今天的计算机中的芯片完全不同，其中一种芯片执行逻辑或数据处理，另一种芯片存储数据。