多值邏輯晶體管：運算能力更強大！
導讀
據美國德克薩斯大學達拉斯分校官網近日報道，該校研究人員在氧化鋅的基礎上，開發出了一種新型多值邏輯晶體管，使每個晶體管可以表示更多的信息。
背景
近幾十年來，由於計算機晶元製造商們學會了如何縮小單個晶體管（表達數字信息的微型電氣開關）的尺寸，計算機以及相似的電子器件變得越來越小。
晶體管（圖片來源：維基百科）
科學家們一直在致力於讓晶體管變得儘可能的小，這樣就使得每片晶元上容納的晶體管數目越來越多。「摩爾定律」指出：「當價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。」
摩爾定律-集成電路晶元上晶體管數量（1976-2016）（圖片來源：維基百科）
可是，如今摩爾定律卻正面臨嚴峻挑戰。科研人員們正在快速逼近晶體管尺寸的物理極限，最近的晶體管模型的寬度大約低至10納米（約30個原子）。
美國德克薩斯大學達拉斯分校材料科學與工程系教授趙京宰（Kyeongjae Cho）博士表示：「電子器件的處理能力來源於在單個計算機晶元上相互連接的幾億甚至幾十億個晶體管。但是，我們正在迅速逼近晶體管尺寸的下限。」
創新
為了進一步提升處理速度，微電子行業正在尋找替代技術。趙教授的研究在線發表在4月30日的《自然通信（Nature Communications）》期刊上，它將提供一個拓展晶體管「信息量」的解決方案。
傳統晶體管表示的信息只有兩個值。作為開關來說，晶體管要麼開要麼關，轉化為二進位語言就是0和1。
（圖片來源：謝菲爾德大學）
一種增加處理能力卻不增加晶體管數量的方法，就是引入二進位器件的「開關狀態」之間的中間狀態，從而增加每個晶體管可以表達的信息量。一種基於這個原理的晶體管就是所謂的「多值邏輯晶體管」，它將在單個器件上展開更多操作並處理更多信息。
趙教授表示：「多值邏輯晶體管並不是新概念，製造類似器件的嘗試已經有過許多次，而我們實現了它。」
通過理論、設計與模擬，德克薩斯大學達拉斯分校趙教授的研究小組在氧化鋅的基礎上，開發了多值邏輯晶體管的基礎物理規則。他們的韓國合作夥伴成功地製造並評估了原型器件的性能。
（圖片來源：德克薩斯大學達拉斯分校）
技術
從電子學角度來說，趙教授的器件具有在0與1之間穩定且可靠的兩個中間狀態，將每個晶體管表示的邏輯數值的數量從兩個提升至三到四個。
趙教授及其同事們開發的技術採用了一種新結構，即兩種形式的氧化鋅組合而成的複合物納米層。然後，它在超晶格中與其他材料的層整合到了一起。
下圖所示：左圖展示了在新型晶體管中兩種形式的氧化鋅組合而成的複合物納米層：氧化鋅晶體（在紅圈內）嵌入到非晶體氧化鋅中。右圖是一個展示電子密度分布的計算機結構模型。
（圖片來源：德克薩斯大學達拉斯分校）
研究人員們發現，他們通過在非晶體氧化鋅中嵌入氧化鋅晶體（也稱為「量子點」），滿足了多值邏輯的物理要求。這些組成非晶體的原子並不像它們在晶體中那樣嚴格有序地排列。
價值
趙教授表示，這項新研究的意義非常顯著，不僅因為這項技術兼容現有的計算機晶元配置，也因為它可以在現今的計算機與量子計算機（計算機能力的下一個里程碑）之間架起橋樑。
傳統計算機採用一連串精確的0與1來進行計算，而量子計算機的基礎邏輯單元更加靈活多變，它們的值可以同時是0與1的結合，或者是介於二者之間的任何值。儘管目前量子計算機尚未進行大規模商用，但是理論上來說，量子計算機能比目前的計算機，存儲更多的信息，更快地解決特定問題。
"IBM Q"量子計算機系統（圖片來源：IBM研究院）
趙教授表示：「包含多值邏輯的設備將比傳統計算機更快，因為它運算能力超越了二進位邏輯單元。通過量子單元，你將具有連續的值。」
他繼續說道：「晶體管是一項非常成熟的技術，量子計算機卻離商業化還很遙遠，這是一個巨大的鴻溝。所以我們應該如何跨越這個鴻溝呢？我們需要某種演進的途徑，即一項在二進位與無限自由度之間架起橋樑的技術。我們的研究仍然是基於現有的器件技術，所以它並不是像量子計算機那樣的革命性技術，但是它在朝著這個方向演進。」
未來
趙教授已經為這項技術申請了專利。他表示：「通過設計這種材料，我們發現我們可以創造出一種新型電子結構，帶來這種多值邏輯特性。氧化鋅是一種著名的材料，它往往會形成晶體和非晶體，所以它是我們開始時的一個顯而易見的選擇，但是它可能並不是最佳的材料。隨著我們嘗試優化這項技術，我們下一步將研究這種特性在其他材料中有多普遍。」
「展望未來，我也想看到我們如何將這項技術與量子器件聯繫起來。」
關鍵字
晶體管、量子點、量子計算機、電子、邏輯
參考資料
【1】https://www.utdallas.edu/news/research/future-shrinking-transistor-2019/?WT.mc_id=NewsHomePageCenterColumn
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