晶体管树立了能源效率的新标准

智能手机、笔记本电脑和智能手表消耗大量能源，但实际上只有大约一半的能源用于为重要功能提供动力。随着全球范围内使用数十亿台此类设备，大量能源被浪费了。Adrian Ionescu 教授和他在 EPFL 纳米电子器件实验室 (Nanolab) 的团队启动了一系列研究项目，以寻求使晶体管更节能。“晶体管是人类有史以来最丰富的人造物体，”约内斯库教授说。“它使我们的整个计算基础设施以及我们在 21 世纪与便携式信息处理实时交互的方式成为可能。它构成了数字和模拟信号处理的基本构建块。”

能源效率很重要

“今天，我们知道人类大脑消耗的能量与一个 20 瓦的灯泡消耗的能量大致相同，”约内斯库说。“尽管消耗的能量如此之少，但我们的大脑能够执行比计算机处理复杂几个数量级的任务——分析我们感官提供的信息并生成智能决策过程。我们的目标是设计电子技术适用于效率与人类神经元相似的便携式设备。”

EPFL 研究人员制造的晶体管提高了能源效率的标准。它在工程学院 (STI) 洁净室中开发，包括二硒化钨 (WSe 2 ) 和二硒化锡 (SnSe 2 ) 这两种半导体材料的二维层。它被称为 2-D/2-D 隧道晶体管，它利用 WSe 2 /SnSe 2栅极结的能带对齐。因为它的尺寸只有几纳米，所以人眼是看不见的。作为同一研究项目的一部分，Nanolab 团队还设计了一种新的混合双传输结构，有朝一日可以进一步推动技术性能。

突破极限

有了这个晶体管，EPFL 团队也打破了电子设备的基本限制之一。“把晶体管想象成一个需要能量来开启和关闭的开关，”Ionescu 解释道。“通过类比，想象一下爬到瑞士山顶然后下到下一个山谷需要多少能量。然后想想我们可以通过隧道穿越山峰节省多少能量。这正是我们的 2- D/2-D 隧道晶体管实现了：它使用更少的能量执行相同的数字功能。”

到目前为止，科学家和工程师未能突破此类 2-D/2-D 组件的基本能耗限制。但新晶体管改变了这一切，为数字开关过程中的能效设定了新标准。Nanolab 团队与苏黎世联邦理工学院的 Mathieu Luisier 教授领导的小组合作，通过原子模拟测试和确认新隧道晶体管的特性。“这是我们第一次突破这个基本限制，同时在非常低的电压下实现比由相同二维半导体材料制成的标准晶体管更高的性能，”教授说。约内斯库。

从可穿戴设备到边缘 AI

这项新技术可用于构建几乎与我们大脑中的神经元一样节能的电子系统。“我们的神经元以大约 100 毫伏 (mV) 的电压运行，比标准电池提供的电压低大约 10 倍，”Ionescu 教授说。“我们的技术目前在 300 mV 下运行，使其效率比传统晶体管高 10 倍左右。” 当今存在的任何其他电子元件都无法达到这种效率水平。

这一期待已久的突破在两个领域具有潜在应用：可穿戴技术(如智能手表和智能服装)和边缘 AI 芯片。但将这个实验室概念验证转化为工业产品仍需要几年的努力。

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