北京大学电子学院邱晨光研究员-彭练矛院士团队日前成功研制出“纳米栅超低功耗铁电晶体管”，通过引入纳米栅极电场汇聚增强效应将铁电晶体管工作电压降低至0.6V，能耗降低至0.45 fJ/μm，是目前国际上尺寸最小、功耗最低的铁电晶体管。该研究成果近日在线发表于Science Advances。

研究成果在线发表截图。受访者供图

当前，人工智能（AI）技术正在迅猛发展，正朝着更海量的数据处理、更快速的响应速度、更小型化的部署场景迈进。

无论是云端AI服务器，还是终端侧的AI设备，都对芯片提出了“超低功耗、高速存算、高集成度”的严苛需求。但现实中，AI芯片的性能提升始终受限于核心硬件瓶颈，尤其是数据存储与运算之间的协同效率不足，成为制约AI应用向高端化、轻量化发展的关键因素。

面对这一核心技术难题，北京大学研究团队在研发过程中实现了三大关键突破：一是提出“纳米栅极电场增强机理”，利用纳米栅的尖端电场汇聚效应，构建了高度局域化的高密度电场汇聚区域，有效地放大了铁电层局部电场强度；二是将铁电极化翻转电压降低到超越了常规平板铁电体的矫顽电压极限，成功将铁电晶体管存储电压降低至0.6V，能耗低至0.45 fJ/μm，领先国际已有报道一个数量级；三是探索了铁电晶体管的尺寸微缩极限，栅电极物理尺寸缩减到1纳米，兼容于未来亚纳米节点芯片对集成度的要求。

多位审稿人认为，利用纳米尺度场汇聚机理来实现超低电压存储的概念颇具新意，这种创新机理打破了常规平板铁电体的矫顽电压极限，首次在铁电存储器中实现了与逻辑晶体管电压的兼容，该研究结果对构建更高效存储芯片有重要意义。

这项工作突破了超低功耗铁电存储器研制的关键科学瓶颈，将存储电压降低到和逻辑电压相当水平，数据可以零障碍、低功耗、超高速双向流动。该纳米栅极铁电存储器相较传统NAND闪存电压降低10倍，对比常规铁电存储器能耗降低一个量级以上。该存储器件有望大幅度降低AI芯片整体功耗, 并提升数据存算效率。

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.aea5020