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欧盟“面向低功耗ICT”(TOLOP)项目研发出单电子器件

为了持续推进摩尔定律,制造商需持续减小晶体管。由欧盟“未来和新兴技术”(FET)项目提供资金支持的“面向低功耗ICT”(TOLOP)项目,研制出单电子器件,希望以此实现计算机处理效率上的创新,减少现有处理器中器件数量。


项目背景

计算机技术的功耗越来越成为实现新功能的障碍,并限制了性能。TOLOP项目将欧盟多位知名专家组成了一个跨学科研究小组,开展低功耗器件的研究。在单电子晶体管的研究上,要延续摩尔定律的挑战是实现单电子晶体管的批量生产,集成进传统电路中,以及确认是否可以可靠工作。项目要将器件和电路的研发带到产业界感兴趣的层次。


项目研究层次

TOLOP包含三个层次的研究,这些层次对于在低功耗器件领域实现范式转换是必须的。(1)室温下开关过程中具有固有低功耗性质的器件的制造和测量,(2)实现特定器件的理论以解释和验证其低功耗能力背后的原理,(3)设计架构来支持这些技术的电路运转,实现整个低功耗电路。项目将在真实开关速率下对内在损失进行研究,并评估器件-电路-工作间的折中来减少功耗。将采用能源延迟产品等电路实现作为指标,并与现有商业和研究技术进行对比。


项目设计预期

该项目将欧洲在该领域的顶级研究机构集结在一起,并在真实环境进行整体功耗优化。预期成果:(1)将对全新的单原子、单电子和自旋器件进行实验性研究。前两者结构都在本质上与CMOS兼容,第三者将采用高风险方法,并解决可制造性问题。(2)多值逻辑和并行逻辑的非布尔实现,还将进行优化的布尔逻辑实现。非布尔逻辑在功率需求方面有望带来指数级改进。(3)设计架构和工作协议以优化电路级实现过程中的整个功耗,将考虑到在真实工作速率和温度下所测量和评估的损失。器件级的概念证据将通过实验性取得,驱动特定实现的设计,并对真实电路中的可行性进行理论研究。


时间和资金支持

TOLOP开始于2012年9月1日到2016年2月29日。总资金投入331.9749万欧元,欧盟出资199.9311万欧元,由英国日立欧洲有限公司牵头(欧盟拨款27.7万欧元),参与者包括澳大利亚新南威尔士大学(欧盟拨款0欧元)、比利时烈日大学(欧盟拨款38.5万欧元)、法国原子能和替代能源委员会(欧盟拨款73.9351万欧元)、以色列耶路撒冷希伯来大学(欧盟拨款31.66万欧元)、瑞典乌普萨拉大学(欧盟拨款28.136万欧元)。


研究成果1—实现批量制造

TOLOP证实新的单电子器件能够批量制造,并具有超越现有先进晶体管的额外功能。缺点是它只能在室温下工作,因为在高温时单电子效应变得脆弱而无法应用。英国剑桥大学日立剑桥实验室的M. Fernando Gonzalez-Zalba说:“TOLOP已证实的巨大成果是单电子器件可以工业级水平制造。”


研究成果2-带来量子计算发展新契机

在该项目尝试突破传统晶体管微型化过程中的自然限制时,一个意料之外的结果是单电子器件适用于量子计算测试,他们能够以量子比特的方式控制晶体管,这是量子计算机功率的核心。


TOLOP研究单电子和单原子晶体管,其设计与今天的微处理器所用晶体管并无太大不同。这些晶体管产生的量子比特主要基于现有晶体管模型,因此如果这些全新器件能够使用传统晶体管的纳米制造方法来制造,制造成本将显著下降,使量子计算更进一步接近市场。


下一步研究

已有研究成果成为TOLOP研究团队的新焦点,并于近期获得新资金来支持来持续推进研究。M. Fernando Gonzalez-Zalba解释说:“我们想要展现我们计算机所用的技术同样也可用于量子计算。”


意义

尽管还有一些路要走,但是量子计算的未来批量制造距离实现又进了一步,在尝试延续摩尔定律的过程中,TOLOP项目带领我们又超越了一步。

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