幾十年來(lái)，計(jì)算機(jī)和類似的電子設(shè)備變得越來(lái)越快，因?yàn)橛?jì)算機(jī)芯片制造商已經(jīng)學(xué)會(huì)了如何縮小單個(gè)晶體管，即傳輸數(shù)字信息的微型電子開(kāi)關(guān)。

科學(xué)家們對(duì)最小晶體管的追求使得更多的晶體管能夠被封裝在每個(gè)芯片上。但是這種競(jìng)爭(zhēng)的底線幾乎已經(jīng)結(jié)束：研究人員正在快速接近晶體管尺寸的物理最小值，最近的模型下降到大約10納米 - 或者只有30個(gè)原子寬。

德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校的材料科學(xué)與工程教授Kyeongjae Cho博士說(shuō)：“ 電子設(shè)備的處理能力來(lái)自數(shù)億個(gè)或數(shù)十億個(gè)在單個(gè)計(jì)算機(jī)芯片上互連的晶體管。” “但我們正在迅速接近規(guī)模的下限。”

為了擴(kuò)大對(duì)更快處理速度的追求，微電子行業(yè)正在尋找替代技術(shù)。Cho的研究發(fā)表在4月30日的“ 自然通訊 ”雜志上，可能會(huì)通過(guò)擴(kuò)大晶體管的詞匯量來(lái)提供解決方案。

傳統(tǒng)的晶體管只能傳達(dá)兩個(gè)信息值：作為開(kāi)關(guān)，晶體管可以開(kāi)啟或關(guān)閉，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制語(yǔ)言的1和0。

在不增加更多晶體管的情況下增加處理能力的一種方法是通過(guò)在二進(jìn)制器件的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)之間引入中間狀態(tài)來(lái)增加每個(gè)晶體管傳達(dá)的信息量?；谠撛淼乃^的多值邏輯晶體管將允許在單個(gè)器件中處理更多操作和更大量的信息。

“多值邏輯晶體管的概念并不新鮮，并且已經(jīng)有很多嘗試制造這種器件，”Cho說(shuō)。“我們已經(jīng)做到了。”

通過(guò)理論，設(shè)計(jì)和模擬，UT達(dá)拉斯的Cho團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了基于氧化鋅的多值邏輯晶體管的基本物理學(xué)。他們?cè)陧n國(guó)的合作者成功地制作并評(píng)估了原型設(shè)備的性能。

Cho表示，新的研究意義重大，不僅因?yàn)樵摷夹g(shù)與現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)芯片配置兼容，而且還因?yàn)樗梢詮浐袭?dāng)今計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)之間的差距，這是計(jì)算能力的潛在下一個(gè)里程碑。

雖然傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)使用1和0的精確值來(lái)進(jìn)行計(jì)算，但量子計(jì)算機(jī)的基本邏輯單元更具流動(dòng)性，其值可以同時(shí)或在其間的任何位置以1和0的組合存在。雖然它們尚未商業(yè)化，但理論上大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)能夠以比現(xiàn)有計(jì)算機(jī)更快的速度存儲(chǔ)更多信息和解決某些問(wèn)題。

“采用多級(jí)邏輯的設(shè)備將比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快，因?yàn)樗粌H僅是二進(jìn)制邏輯單元。對(duì)于量子單位，你有連續(xù)的值，”Cho說(shuō)。

“晶體管是一種非常成熟的技術(shù)，量子計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，”他繼續(xù)說(shuō)道。“存在巨大的差距。那么我們?nèi)绾螐囊粋€(gè)移動(dòng)到另一個(gè)?我們需要某種進(jìn)化途徑，二元和無(wú)限自由度之間的橋接技術(shù)。我們的工作仍然基于現(xiàn)有的設(shè)備技術(shù)，所以它是不像量子計(jì)算那樣具有革命性，但它正朝著這個(gè)方向發(fā)展。“

Cho和他的同事開(kāi)發(fā)的技術(shù)采用了兩種形式的氧化鋅結(jié)合形成復(fù)合納米層的新型結(jié)構(gòu)，然后在超晶格中與其他材料層結(jié)合。

研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)將氧化鋅晶體(稱為量子點(diǎn))嵌入無(wú)定形氧化鋅中，他們可以實(shí)現(xiàn)多值邏輯所需的物理學(xué)。包含無(wú)定形固體的原子不像它們?cè)诮Y(jié)晶固體中那樣嚴(yán)格有序。

“通過(guò)設(shè)計(jì)這種材料，我們發(fā)現(xiàn)我們可以創(chuàng)建一種能夠?qū)崿F(xiàn)這種多級(jí)邏輯行為的新電子結(jié)構(gòu)，”曾申請(qǐng)專利的Cho表示。“氧化鋅是一種眾所周知的材料，往往會(huì)形成結(jié)晶固體和無(wú)定形固體，因此它是一個(gè)明顯的選擇，但它可能不是最好的材料。我們的下一步將看看這種行為是如何普遍的在我們嘗試優(yōu)化技術(shù)的其他材料中。

“展望未來(lái)，我也希望看到我們?nèi)绾螌⑦@項(xiàng)技術(shù)與量子器件相結(jié)合。”