我們生活在一個由連續信息流組成的模擬世界中，我們的大腦同時處理和存儲這些信息，但我們的設備則以離散二進制代碼的形式進行數字處理，將信息分解成一個個小比特（或位）。洛桑聯邦理工學院（EPFL）的研究人員揭示了一種開創性技術，它將連續模擬處理的潛力與數字設備的精確性結合在一起。

通過將超薄二維半導體與鐵電材料無縫集成，這項發表在《自然-電子學》（Nature Electronics）雜誌上的研究揭示了一種提高能效和增加計算新功能的新方法。這種新配置將傳統的數字邏輯與類似大腦的模擬運算融為一體。

更快、更高效的電子器件

納米電子器件實驗室（Nanolab）與微系統實驗室（Microsystems Laboratory）合作進行的創新，圍繞著一種獨特的材料組合，實現了大腦啟發式功能和先進的電子開關，包括引人注目的負電容隧道場效應晶體管（TFET）。

在電子世界中，晶體管或”開關”就好比電燈開關，決定著電流的流向（開）或不流（關）。這就是二進制計算機語言中著名的”1″和”0″，從處理信息到存儲記憶，這一簡單的開關動作幾乎與我們電子設備的所有功能密不可分。

TFET 是一種特殊的開關，其設計考慮到了未來的節能需求。與需要一定最低電壓才能開啟的傳統晶體管不同，TFET 可以在低得多的電壓下工作。這種優化設計意味著它們在開關時消耗的能量要少得多，從而大大降低了所集成器件的總體功耗。

這項發表在《自然-電子學》（Nature Electronics）上的研究通過將超薄二維半導體與鐵電材料無縫集成，揭示了一種提高能效和增加計算新功能的新方法。新配置將傳統的數字邏輯與類似大腦的模擬操作融合在一起。資料來源：EPFL

納米實驗室負責人阿德里安-約內斯庫（Adrian Ionescu）教授說：”我們的努力代表了電子學領域的重大飛躍，打破了以往的性能基準，負電容二硒化鎢/二硒化錫TFET 的出色性能以及在同一技術中創造突觸神經元功能的可能性就是例證。

EPFL 的博士生Sadegh Kamaei 首次在完全集成的電子系統中利用了二維半導體和鐵電材料的潛力。二維半導體可用於超高效數字處理器，而鐵電材料則為同時連續處理和存儲記憶提供了可能。將這兩種材料結合起來，就有機會充分利用各自的數字和模擬能力。現在，我們上述比喻中的電燈開關不僅更加節能，而且它打開的電燈也會更加明亮。

Kamaei 補充說：”使用二維半導體並將其與鐵電材料整合在一起的工作充滿了挑戰，但也收穫頗豐。我們研究成果的潛在應用可能會重新定義我們未來如何看待電子設備以及如何與電子設備互動。”

將傳統邏輯與神經形態電路相結合

此外，這項研究還深入探討了為神經形態計算創建類似於生物突觸（腦細胞之間錯綜複雜的連接器）的開關。Ionescu補充說：”這項研究標誌著馮-諾依曼邏輯電路和神經形態功能的首次共同整合，為創建創新計算架構指明了令人興奮的方向，這種架構的特點是功耗極低，並且具有迄今為止尚未探索過的結合數字信息處理構建神經形態功能的能力。這些進步預示著電子設備將以與人腦平行的方式運行，以更符合人類認知的方式將計算速度與信息處理結合起來。例如，神經形態系統可能擅長傳統計算機難以完成的任務，如模式識別、感官數據處理，甚至某些類型的學習。傳統邏輯與神經形態電路的融合預示著一場影響深遠的變革。未來的設備不僅會更智能、更快速，而且能效也會呈指數級增長。”