新型邏輯器件：結合了光、電、化學！

導讀

史上首次，日本東京大學的研究人員們採用電場與紫外線，通過化學器件執行邏輯運算。

背景

從智能手錶到數據中心，所有的計算機都具備相似的元器件：處理器與存儲器。這些半導體晶元由「硅」基晶體管組成。根據摩爾定律，隨著半導體技術不斷進步，晶體管尺寸將不斷縮小，單顆晶元上可容納的晶體管數量不斷增加，如今最先進的晶元上容納的晶體管數量已經過百億。

然而，當晶體管尺寸小到接近量子尺度時，瓶頸就出現了。此時，一些奇特的量子效應就會產生，例如「隧道效應」。簡單解釋一下，隧道效應是由微觀粒子波動性所確定的量子效應，又稱勢壘貫穿。

經典物理學認為，閾值能量決定物體能否越過勢壘。粒子能量小於閾值能量則不能越過，大於閾值能量則可以越過。與經典物理學不同，量子力學則認為，即使粒子能量小於閾值能量時，它們仍有一定概率可以穿越勢壘。打個比方，它們好像並不是費力地「爬過」勢壘，而是毫不費力地通過「隧道」穿越勢壘。

隧道效應在微電子學、光電子學以及納米技術中都是很重要的，也帶來了很多用途。但由於隧道效應，電子將不再受制於歐姆定律，穿越了本來無法穿越的勢壘。這樣會引起集成電路的漏電現象，晶體管變得不再可靠。

在後摩爾時代，全球各國的科學家們正在努力尋求各式新方法（例如自旋電子學）以及新材料（例如二維材料、鈣鈦礦等）來實現邏輯與存儲功能，實現性能更佳、能耗更低、發熱更少的新一代計算機器件。

基於石墨烯納米帶和碳納米管的全碳自旋邏輯器件（圖片來源：參考資料【2】）

自旋轉移矩-磁性隨機存儲器 （圖片來源：參考資料【3】）

創新

近日，日本東京大學生物技術與化學系教授 Takuzo Aida、講師 Yoshimitsu Itoh、博士生 Keiichi Yano 以及他們的團隊開發出一種新型計算機邏輯器件。

（圖片來源：Aida Group）

技術

傳統計算機採用「電荷」來代表二進位數字（「1」和「0」），但是東京大學的工程師們設計的器件採用的卻是「電場」與「紫外線」，從而開啟功耗更低的運算，比基於「電荷」的邏輯器件發熱更少。

這種器件也與目前的半導體晶元大不相同，因為它本質上是化學的。這種化學特性，使它有望應用於未來的計算器件。這種器件不僅好在功耗低與發熱少，而且製造起來也便宜、簡單。該器件具有碟與棒形狀的分子。在適當條件下，這些分子自組裝成「螺旋梯」般的形狀，也稱為「柱狀液晶（CLC）」。

柱狀液晶與現代晶體管的尺寸差不多（圖片來源：Aida Group）

Itoh 表示：「對於採用化學方法創造這種器件而言，讓我喜歡的一點是，它不太像『構建』某個東西，卻更像『生長』某個東西。我們利用這些成分構成了具有各種功能的各種形狀，好像利用化學來編程一樣。」

在邏輯運算開始之前，研究人員將CLC 樣本放在兩個用電極覆蓋的玻璃板之間。偏振光（總是在單個平面中振動）通過樣本，達到另外一側的探測器。

在樣本的默認狀態下，CLC 處於一種隨機定向狀態，允許光線到達探測器。當電場或紫外線被「單獨」地打開，然後再關閉，檢測到的輸出保持不變。但是當磁場和紫外線被「一起」打開，約一秒之後再關閉，CLC 會以一種方式對齊，阻礙探測器接收到光線。

CLC 樣本在一秒內改變其狀態，但卻可以保持數小時。（圖片來源：Aida Group）

如果，明與暗的「輸出」狀態、電場與紫外線的「輸入」狀態，都用二進位數來表示。那麼，上述過程有效地執行邏輯「與（AND）」功能，即所有輸入必須是「1」，輸出才是「1」。

價值

這種邏輯器件以及開創性方法，將為包括低功耗、高性能計算機晶元在內的一系列研究開啟了新的可能性。

未來

Yano 解釋道：「『與』功能是幾種基本邏輯功能中的一種，但是對於計算來說，最重要的邏輯功能是『與非（NAND）』。這是需要進一步研究的幾個領域之一。我們也希望提升CLC 的速度與密度，使之更實用。讓我著迷的是，這些自組裝分子，例如我們用於製造CLC的那些分子，是如何產生邏輯功能的。」

關鍵字

半導體、晶體管、化學、邏輯、紫外線

參考資料

【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

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