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一般來說，計算機芯片由始終執(zhí)行相同操作的電子元件組成。然而，在未來，更多的靈活性將成為可能：新型自適應晶體管（adaptive transistors）可以在瞬間切換，以便它們可以根據(jù)需要執(zhí)行不同的邏輯任務。這從根本上改變了芯片設計的可能性，并在人工智能、神經網(wǎng)絡甚至邏輯領域開辟了全新的機會，這些領域不僅可以處理 0 和 1 以外的更多值。

為了實現(xiàn)這一目標，來自TU Wien (Vienna)的科學家們沒有依靠通常的硅技術，而是依靠鍺。但他們的嘗試初步看來是成功的：世界上最靈活的晶體管現(xiàn)已使用鍺生產，有關這個嘗試的文章已發(fā)表在ACS Nano雜志上。鍺的特殊性質和專用程序柵電極（dedicated program gate electrodes）的使用使得為可能開創(chuàng)芯片技術新時代的新組件創(chuàng)建原型成為可能。

一個額外的控制電極改變了一切

晶體管是每個現(xiàn)代電子設備的基礎：它是一個微小的組件，可以允許電流流動或阻止電流流動，具體取決于是否向控制電極施加電壓，這使得構建簡單的邏輯電路和內存存儲成為可能。

電荷在晶體管中的傳輸方式取決于所使用的材料：要么有攜帶負電荷的自由移動電子，要么單個原子中可能缺少電子，因此該點帶正電。這被稱為空穴——它們也可以穿過材料。

在 TU Wien 的新型晶體管中，電子和空穴以一種非常特殊的方式同時被操縱：“我們用一根由鍺制成的極細的線連接兩個電極，該線通過特殊的、非常干凈的界面連接到兩側的金屬。在這個鍺段上面，我們放置了一個柵電極，就像傳統(tǒng)晶體管中的柵電極一樣。決定性的是，我們的晶體管還有另一個控制電極，它位于鍺和金屬之間的界面上。它可以動態(tài)編程晶體管的功能。”Masiar Sistani 博士解釋說，他是 TU Wien 固態(tài)電子研究所 Walter Weber 教授團隊的博士后研究員。

這種結構可以分別控制電子和空穴。“使用鍺是其中一個決定性的優(yōu)勢，”Masiar Sistani 說。“這是因為鍺具有非常特殊的電子結構：當你施加電壓時，正如你所期望的那樣，電流最初會增加。然而，在某個閾值之后，電流會再次減小——這被稱為負微分電阻。隨著在控制電極的幫助下，我們可以調節(jié)這個閾值所在的電壓。這產生了新的自由度，我們可以用它來準確地賦予晶體管我們目前需要的特性。”

這樣，例如，與非門（邏輯非與門）可以切換為或非門（邏輯非與非門）。“到目前為止，電子產品的智能只是來自幾個晶體管的互連，每個晶體管都只有相當原始的功能。未來，這種智能可以轉移到新晶體管本身的適應性上，”沃爾特·韋伯教授說。“由于適應性的提高，以前需要 160 個晶體管的算術運算現(xiàn)在可以用 24 個晶體管完成。通過這種方式，電路的速度和能效也可以顯著提高。”

韋伯教授的研究小組只在維也納工業(yè)大學工作了大約兩年。Walter Weber 教授因其在新穎、可重新配置的電子產品方面的工作而享譽國際。Masiar Sistani 博士是鍺電子領域的專家，專門研究電子傳輸現(xiàn)象。這兩個專業(yè)領域完美匹配，使自適應鍺晶體管成為可能。“一些細節(jié)仍然需要優(yōu)化，但我們已經證明了我們的第一個可編程鍺晶體管的基本思想確實有效。這對我們來說是一個決定性的突破，”Masiar Sistani 說。

人工智能有望被改變

這些新的可能性對于人工智能領域的應用特別有趣：“我們的人類智能基于神經細胞之間動態(tài)變化的電路。有了新的自適應晶體管，現(xiàn)在可以有針對性地直接改變芯片上的電路。”Walter Weber 說。多值邏輯也可以通過這種方式實現(xiàn)——即，電路不僅可以處理 0 和 1，還可以處理更多的可能狀態(tài)。

這種新技術的快速工業(yè)應用是現(xiàn)實的：所使用的材料已經在今天的半導體工業(yè)中使用，不需要全新的制造工藝。在某些方面，這項技術甚至比以前更簡單：今天，半導體材料是摻雜的，即富含單個外來原子。對于基于鍺的晶體管，這不是必需的，我們可以使用純鍺。

“我們不想用我們的新晶體管完全取代以前的晶體管技術，這太冒昧了，”Masiar Sistani 說。“新技術更有可能在未來作為附加組件被整合到計算機芯片中。對于某些應用，依賴自適應晶體管只會更節(jié)能。”

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一種新型的自適應晶體管亮相

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