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史上首次!日本东京大学采用电场、紫外线、柱状液晶实现逻辑运算

导读

史上首次,日本东京大学的研究人员们采用电场与紫外线,通过化学器件执行逻辑运算。

背景

从智能手表到数据中心,所有的计算机都具备相似的元器件:处理器与存储器。这些半导体芯片由“硅”基晶体管组成。根据摩尔定律,随着半导体技术不断进步,晶体管尺寸将不断缩小,单颗芯片上可容纳的晶体管数量不断增加,如今最先进的芯片上容纳的晶体管数量已经过百亿。

然而,当晶体管尺寸小到接近量子尺度时,瓶颈就出现了。此时,一些奇特的量子效应就会产生,例如“隧道效应”。简单解释一下,隧道效应是由微观粒子波动性所确定的量子效应,又称势垒贯穿。

经典物理学认为,阈值能量决定物体能否越过势垒。粒子能量小于阈值能量则不能越过,大于阈值能量则可以越过。与经典物理学不同,量子力学则认为,即使粒子能量小于阈值能量时,它们仍有一定概率可以穿越势垒。打个比方,它们好像并不是费力地“爬过”势垒,而是毫不费力地通过“隧道”穿越势垒。

隧道效应在微电子学、光电子学以及纳米技术中都是很重要的,也带来了很多用途。但由于隧道效应,电子将不再受制于欧姆定律,穿越了本来无法穿越的势垒。这样会引起集成电路的漏电现象,晶体管变得不再可靠。

在后摩尔时代,全球各国的科学家们正在努力寻求各式新方法(例如自旋电子学)以及新材料(例如二维材料、钙钛矿等)来实现逻辑与存储功能,实现性能更佳、能耗更低、发热更少的新一代计算机器件。


史上首次!日本东京大学采用电场、紫外线、柱状液晶实现逻辑运算

基于石墨烯纳米带和碳纳米管的全碳自旋逻辑器件(图片来源:参考资料【2】)


史上首次!日本东京大学采用电场、紫外线、柱状液晶实现逻辑运算

自旋转移矩-磁性随机存储器 (图片来源:参考资料【3】)


创新

近日,日本东京大学生物技术与化学系教授 Takuzo Aida、讲师 Yoshimitsu Itoh、博士生 Keiichi Yano 以及他们的团队开发出一种新型计算机逻辑器件。


史上首次!日本东京大学采用电场、紫外线、柱状液晶实现逻辑运算

(图片来源:Aida Group)


技术

传统计算机采用“电荷”来代表二进制数字(“1”和“0”),但是东京大学的工程师们设计的器件采用的却是“电场”与“紫外线”,从而开启功耗更低的运算,比基于“电荷”的逻辑器件发热更少。

这种器件也与目前的半导体芯片大不相同,因为它本质上是化学的。这种化学特性,使它有望应用于未来的计算器件。这种器件不仅好在功耗低与发热少,而且制造起来也便宜、简单。该器件具有碟与棒形状的分子。在适当条件下,这些分子自组装成“螺旋梯”般的形状,也称为“柱状液晶(CLC)”。


史上首次!日本东京大学采用电场、紫外线、柱状液晶实现逻辑运算

柱状液晶与现代晶体管的尺寸差不多(图片来源:Aida Group)


Itoh 表示:“对于采用化学方法创造这种器件而言,让我喜欢的一点是,它不太像‘构建’某个东西,却更像‘生长’某个东西。我们利用这些成分构成了具有各种功能的各种形状,好像利用化学来编程一样。”

在逻辑运算开始之前,研究人员将CLC 样本放在两个用电极覆盖的玻璃板之间。偏振光(总是在单个平面中振动)通过样本,达到另外一侧的探测器。

在样本的默认状态下,CLC 处于一种随机定向状态,允许光线到达探测器。当电场或紫外线被“单独”地打开,然后再关闭,检测到的输出保持不变。但是当磁场和紫外线被“一起”打开,约一秒之后再关闭,CLC 会以一种方式对齐,阻碍探测器接收到光线。


史上首次!日本东京大学采用电场、紫外线、柱状液晶实现逻辑运算

CLC 样本在一秒内改变其状态,但却可以保持数小时。(图片来源:Aida Group)


如果,明与暗的“输出”状态、电场与紫外线的“输入”状态,都用二进制数来表示。那么,上述过程有效地执行逻辑“与(AND)”功能,即所有输入必须是“1”,输出才是“1”。

价值

这种逻辑器件以及开创性方法,将为包括低功耗、高性能计算机芯片在内的一系列研究开启了新的可能性。

未来

Yano 解释道:“‘与’功能是几种基本逻辑功能中的一种,但是对于计算来说,最重要的逻辑功能是‘与非(NAND)’。这是需要进一步研究的几个领域之一。我们也希望提升CLC 的速度与密度,使之更实用。让我着迷的是,这些自组装分子,例如我们用于制造CLC的那些分子,是如何产生逻辑功能的。”

关键字

半导体、晶体管、化学、逻辑、紫外线

参考资料

【1】https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00025.html

【2】Joseph S. Friedman et al, Cascaded spintronic logic with low-dimensional carbon, Nature Communications (2017). DOI: 10.1038/ncomms15635

【3】https://www.mram-info.com/stt-mram

【4】Keiichi Yano, Yoshimitsu Itoh, Fumito Araoka, Go Watanabe, Takaaki Hikima, Takuzo Aida. Nematic-to-columnar mesophase transition by in situ supramolecular polymerization. Science, 2019; 363 (6423): 161 DOI: 10.1126/science.aan1019