东方时讯网晶体管或“微芯片”部分解释了为什么我们的纸薄笔记本电脑可以执行比笨拙、巨大的前辈复杂得多的任务。为了最大限度地提高计算能力，工程师们正试图将晶体管制造成尽可能小的尺寸，并将数十亿个晶体管封装到一个计算机芯片中。
然而，尽管制造技术迅速发展，传统晶体管正在接近其物理极限——这些纳米级设备在达到一定程度后无法再进一步缩小——这阻碍了计算能力的发展。
然而，随着数据不断涌入，对计算能力的需求也在不断上升。需要新的设备，特别是具有更高速度和更低功耗的新存储和逻辑设备，以释放新的计算能力，同时打破现有计算系统的主要障碍。
最近，来自中国的一组研究人员指出铁电器件是一种很有前途的解决方案，并发表了一篇介绍用于智能计算的新兴铁电材料和器件的综述文章。该评论发表在IntelligentComputing上。
铁电材料用途广泛，广泛用作航空航天存储设备中的专用存储器。它们具有特殊的极化特性，即一种即使在移除外部电场后仍可保留的类磁特性。但是当膜厚度减小到小于10nm时，大多数常规铁电材料在25°C时会失去其极化特性，因此无法适应纳米级集成电路(IC)制造工艺。
具有高可扩展性潜力的新型铁电材料可以解决这些问题。“在高κ材料中发现极化效应，这是纳米级MOSFET[金属氧化物半导体场效应晶体管]常用的栅极氧化物材料，是铁电晶体管大规模生产的突破，”研究人员指出。
他们回顾了多晶Hf基和非晶氧化物基铁电材料的两个突出例子，并简要描述了最近报道的一些新型材料和器件。所有这些都被发现与互补金属氧化物半导体(CMOS)制造工艺兼容。
对于最先进的铁电器件，研究人员将它们分为低功耗逻辑器件、高性能存储单元和神经形态器件，并对其进行了详细总结。摘要分别涵盖了器件的发展及其在打破“热墙”、“记忆墙”和冯·诺依曼瓶颈方面的能力。
铁电负电容场效应晶体管(NCFET)作为低功耗逻辑器件能够打破“热墙”，由于功率密度和热效应的上升阻碍了处理器主频的提升。研究人员解释说：“降低芯片的驱动电压是打破‘热墙’的一种潜在方法，其可行性在很大程度上取决于晶体管的SS[亚阈值摆幅]。”
“铁电NCFET与电压放大效应一起，可以克服玻尔兹曼的暴政并实现低于60mV/dec的SS。因此，它们被认为具有最有前途的超低功率应用器件架构之一，并且可以重新启用IC产业的快速发展。”
基于铁电电容器的随机存取存储器(FeRAM)和基于铁电场效应晶体管(FeFET-)的存储器被归类为高性能存储单元，在动态随机存取存储器(DRAM)替代和嵌入式应用中表现出出色的性能。
与传统的DRAM电容器不同，铁电电容器可以通过非易失性的Pr电荷存储信息，并且单位面积的电荷密度要高得多。
“因此，用掺杂的HfO2铁电体或非晶氧化物铁电体代替闪存设备的介电材料以实现FeFET是进一步降低这些存储器的功率或延迟的替代方法，”研究人员说。这将有助于弥合逻辑器件和存储单元之间的巨大性能或面积差距，克服所谓的“存储墙”。
此外，FeFET可用作神经形态器件以打破冯诺依曼瓶颈。冯诺依曼瓶颈指的是原本分离的内存模块和逻辑处理器之间的数据传输效率低下而导致的延迟和功耗问题，神经形态计算——模仿神经元系统进行信息处理——是一种可能的解决方案。
在神经形态系统中，人工神经元和突触是最重要的组成部分，据报道FeFET可以实现这两者。对于神经元中的应用，FeFET已被用作脉冲神经网络;对于涉及尖峰神经网络(SNN)和卷积神经网络(CNN)的人工突触应用，FeFET是适用的，因为它们能够同时执行存储和处理功能。
此外，铁电隧道结(FTJ)因其紧凑的器件结构、非破坏性读出方案和高写入/读取访问速度而在突触器件应用中引起了极大的关注。
总之，研究人员表示，如果能够实现工艺兼容性和器件性能之间的折衷，则可以将NCFET、FeRAM或FeFET存储器和铁电突触器件集成到同一芯片中，构建多功能智能计算系统。
“基于铁电器件处理技术取得的进展，通过不断改进工艺，将低功耗逻辑、高性能存储器和神经形态系统集成在一个芯片上似乎是可行的，”他们强调说。“这将有助于实现未来高性能、高效率的智能计算系统的发展。”