他们让晶体管开关越过60毫伏物理红线，芯片功耗迎来新解法
对于“60”这个数字来说，曾经是悬挂在整个芯片产业头顶的达摩克利斯之剑。在芯片上晶体管集成度已经突破千亿级别的今天，每当降低一伏特电压、每当减少一毫瓦功耗，人类都要与一个名叫“玻尔兹曼极限”的物理铁律进行殊死搏斗。
这个铁律规定，传统晶体管在室温下想要控制电流开关一个数量级，那么至少需要提供 60 毫伏的电压。正是这一“玻尔兹曼闸口”难题让处理器的功耗和散热问题成为限制算力发展的最大阻碍。
然而在最近，一篇发表在 Science 上的论文，提供了一个有效的解决方案。来自香港理工大学郝建华教授团队和新加坡国立大学李连忠教授团队的研究成员， 他们向 DeepTech 介绍，团队使用了一颗基于铋/硒化铟（Bi/InSe）异质结的隧穿场效应晶体管。这颗晶体管在突破玻尔兹曼极限的同时，稳定实现了以约 30mV 电压控制一个数量级的电流。 它还将玻尔兹曼闸口电流推高至 10 微安/微米，开关比做到 10⁷。这意味着传统晶体管的热离子极限被打破，基于冷电子的量子隧穿晶体管打开了一个新阶段。 图 | 论文作者（源：https://polyu.me/4gCpik4）
不管是电脑、手机等我们日常生活中频繁使用的智能电子设备，还是服务器、AI 算力中心等复杂而昂贵的高科技设施，其最基础的单元都是晶体管。在其中，电压被用于控制电流的流动和截止，然后进一步发展出“1”和“0”的定义，并最终以“二进制”这一特殊的数学语言来书写、储存、阅读我们的整个世界。
每一个晶体管所负责的工作仅仅只是在“1”和“0”之间切换；显而易见地，如果我们有更多的晶体管可以同时工作，那我们就可以得到更强大的数据处理能力。
目前，最先进的处理器中集成的晶体管数目已经突破千亿级别。它们同时工作时所带来的功耗和散热问题已经是处理器性能提升所面临的最大阻碍。这并不是遥远的科学问题；我们的手机、电脑常常因为过热而无法工作，企业的服务器经常面临拥堵和超负荷难题，国家的算力基础设施严重依赖于大量的冷却装置，这些都是“玻尔兹曼闸口”所带来的影响和挑战。
在传统晶体管里，电子需要翻越一道能量壁垒才能从一端跑到另一端，这道壁垒叫作势垒。栅极电压的作用就是能够控制这道壁垒的高度的降低和升高。当壁垒降得足够低，电子就可以翻过去，这时电流就通了。而当壁垒太高，电子就会翻不过去，电流于是就断了。
这个翻越过程受到“玻尔兹曼闸口”的支配，室温之下要让电流变化十倍，栅极电压至少得改变 60 毫伏，这个限制来自于玻尔兹曼分布，是热力学带来的一个必然结果。
过去二十年里芯片电压很难再往下降，功耗也降不下来，散热的问题也无法从根本上解决，其根本原因就在这里，于是很多工程师把这堵墙叫玻尔兹曼暴政。
并非没有办法绕过这道墙，隧道场效应晶体管就是冲着这个目的去的。它不利用电子是否翻越壁垒来定义开和关，而是 利用电子以波的形式穿越壁垒的概率 来定义“1”和“0”。量子力学中有一个广为人知的名词：波粒二象性；它意味着粒子有一定的概率能够直接穿透能量壁垒而出现在另一边，所以就可以节省翻越势垒的能量。这个概率尽管不高，但是确实存在。假如能把壁垒做得足够薄，隧穿概率就有可能变得非常可观。
隧穿场效应晶体管已经被研究了几十年，国际器件与系统路线图（IRDS，International Roadmap for Devices and Systems）把隧穿场效应晶体管列为最有前途的下一代逻辑器件之一。
但在这二十年里它始终有个毛病，就是要么控制电压足够低但输出电流太弱，要么 输出电流够用但是开关比不足以满足区分“1”和“0”两种状态的工作需求 ，用通俗的比喻来说，就是虽然这些骏马需要的粮草都不多，但是要么跑不快，要么刹不住。