在過去的十年中，人們對這一發(fā)現(xiàn)感到非常興奮，這一發(fā)現(xiàn)僅在兩年前的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)中得到認(rèn)可，有兩種類型的絕緣體：不導(dǎo)電的普通絕緣體和拓?fù)浣^緣體 - 新發(fā)現(xiàn)的僅在邊緣導(dǎo)電的材料。

現(xiàn)在，澳大利亞莫納什大學(xué)的FLEET研究人員首次通過應(yīng)用電場成功地“切換”這兩種物質(zhì)狀態(tài)之間的物質(zhì)。這是創(chuàng)建功能拓?fù)渚w管的第一步 - 提出新一代超低能耗電子器件。

諸如拓?fù)渚w管之類的超低能耗電子設(shè)備將允許計(jì)算繼續(xù)增長，而不受可用能量的限制，因?yàn)槲覀兘咏鼈鹘y(tǒng)硅基電子設(shè)備可實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)的終點(diǎn)(摩爾定律的終結(jié)現(xiàn)象)。

研究作者M(jìn)ichael Fuhrer教授解釋說：“超低能量拓?fù)潆娮訉W(xué)是解決現(xiàn)代計(jì)算能源日益增長的挑戰(zhàn)的潛在解決方案。”

“信息和通信技術(shù)(ICT)已經(jīng)消耗了全球8%的電力，而且這種情況每十年翻一番。”

這項(xiàng)新研究是實(shí)現(xiàn)功能拓?fù)渚w管目標(biāo)的重大進(jìn)展。

工作原理：拓?fù)洳牧虾屯負(fù)渚w管

拓?fù)浣^緣體是一種新型材料，在其內(nèi)部表現(xiàn)為電絕緣體，但可沿其邊緣傳輸電流。

“在這些邊緣路徑中，電子只能向一個(gè)方向傳播，”主要作者M(jìn)ark Edmonds博士解釋說。“這意味著不會出現(xiàn)'背散射'，這就是導(dǎo)致傳統(tǒng)電導(dǎo)體電阻的原因。”

與傳統(tǒng)的電導(dǎo)體不同，這種拓?fù)溥吘壜窂娇梢猿休d具有接近零能量耗散的電流，這意味著拓?fù)渚w管可以比傳統(tǒng)電子器件燃燒更少的能量。他們還可以更快地切換。

拓?fù)洳牧蠈⑿纬删w管的有源“通道”組件，完成計(jì)算中使用的二進(jìn)制運(yùn)算，在open(0)和closed(1)之間切換。

“這種新型開關(guān)的工作原理與當(dāng)今計(jì)算機(jī)中的晶體管完全不同，”Edmonds博士解釋道。“我們設(shè)想這種開關(guān)可以促進(jìn)全新的計(jì)算技術(shù)，它使用更低的能量。”

電場引起從“拓?fù)?rdquo;絕緣體到傳統(tǒng)絕緣體的量子躍遷。

要成為當(dāng)前硅基技術(shù)(CMOS)的可行替代方案，拓?fù)渚w管必須：

在室溫下操作(無需昂貴的過冷)，

導(dǎo)通(1)和非導(dǎo)通(0)之間的“切換”，和

通過施加電場，切換速度非常快。“

雖然理論上已經(jīng)提出了可切換的拓?fù)浣^緣體，但這是該實(shí)驗(yàn)首次證明材料可以在室溫下切換，這對于任何可行的替換技術(shù)都是至關(guān)重要的。

(在這項(xiàng)研究中，實(shí)驗(yàn)是在低溫下進(jìn)行的，但測得的大帶隙證實(shí)材料在室溫下會正常轉(zhuǎn)換。)

ICT能源使用，摩爾定律和“超越CMOS”解決方案

這項(xiàng)工作背后的首要挑戰(zhàn)是信息和通信技術(shù)(ICT)中使用的能源越來越多，其中很大一部分是由轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)的。

每次晶體管切換時(shí)，會消耗少量能量，并且每秒數(shù)萬億次晶體管切換數(shù)十億次，這種能量就會增加。

多年來，通過更高效，更緊湊的CMOS(硅基)微芯片來控制指數(shù)增長的計(jì)算量的能量需求 - 這與著名的“摩爾定律”有關(guān)。但隨著基本的物理極限接近，摩爾定律即將結(jié)束，未來的效率有限。

“信息技術(shù)革命改善了我們的生活，我們希望它能夠繼續(xù)下去，”Michael Fuhrer教授說。

“但為了繼續(xù)增長計(jì)算，以滿足不斷變化的需求，我們需要更高效的電子產(chǎn)品。”

“我們需要一種新型晶體管，在切換時(shí)會消耗更少的能量。”

“這一發(fā)現(xiàn)是向拓?fù)渚w管方向邁出的一步，可以改變計(jì)算領(lǐng)域。”

計(jì)算中燃燒的能量占全球用電量的8%

ICT能源使用每十年翻一番

信息通信技術(shù)對氣候變化的貢獻(xiàn)與航空業(yè)一樣重要

摩爾定律將信息通信技術(shù)的能源控制了50年，將在未來十年內(nèi)結(jié)束。