硅谷变“铁谷”：铁电材料有望突破计算机发展瓶颈

经过几十年的反复再造，硅晶体管开始显现出了其发展的瓶颈，整个行业都开始寻找它的替代品。目前一种新的可供选择的材料出现在了人们面前，如果这种材料可以成功运用于计算机领域，这将促使计算机处理器不仅能有效提高能源利用率而且还能够提高运算能力并能用于存储设备。

研究人员发现，他们可以利用电荷迅速地在四种不同状态之间进行切换的铁电材料来存储数据。由这种材料制成的晶体管可以利用这些不同的电荷状态表达比1和0更多这样的基础计算机数字逻辑，而且它还可以容纳这些电荷状态而不需要外部供电，这种材料也能够处理信息以及存储信息。

IBM的Watson研究中心的科学家Thomas N. Theis表示，如今硅晶体管已经缩小到了纳米级别，它也遇到了难以提升综合表现的瓶颈期，从而导致不能很好地协调功耗过高、散热和速度等问题。而使用了这类处理器的产品都采用了各自不同的方式来克服这些挑战。

加州大学伯克利分校的材料科学家Lane Martin指出，铁电材料的一个主要优势在于这个材料并不是一个新的半导体产业。富士通、德州仪器以及其他几家公司都已经开始制作铁电存储设备。Martin表示，“我们只不过是将现有的这种材料技术用于一些新的领域，因此，如果有公司想要采用它，很快就可以达到规模化。”

Martin与理论化学家Andrew Rappe共同合作并在宾夕法尼亚大学进行建模并测试铁电体。

与硅晶体管一样，铁电体可以在不同的状态之间进行切换从而表达信息。但是切换的物理现象与硅晶体是完全不同的，铁电体不局限于在传导与绝缘状态之间切换，铁电材料也能切换电极——改变材料中电流的方向。

铁电材料具有天然的电极，可以通过使用电场来改变电极方向。到目前为止该切换只需要几纳秒，对于数据存储来说这样的速度足够快，但对于进行数据处理而言，这样的速度还有点慢，而且它需要消耗相当多的能量。

Martin用各种各样的铁电材料制作了产品进行测试，包括锆钛酸铅，在测试中它展示出了更快的切换速度，并且只需要较低的电压。测试结果公布在了Nature Materials杂志上，从结果来看这些铁电材料的切换速度比常规设计至少快了两至三倍。

IBM的Theis表示，这项测试研究的结果似乎表明了我们对这些材料的理解又取得了非常重大的进步。

Martin表示，他和Rappe希望可以不仅仅局限于铁电材料使用在存储设备上。他们的一个想法是将这些铁电体与硅材料进行结合，从而制作出一种新型晶体管。这种采用这种晶体管的装置将会高效节能，并会将计算处理和存储结合为一体。Martin表示，由于这种材料具有十分优异的特性，对于家庭用户而言，即使发生断电现象也无需担心资料丢失；对于企业而言，由于可以集计算与存储为一身，可以节省下建立数据中心的一大笔资金。

via technologyreview