得益于微芯片的进步，今天的智能手机功能非常强大，在 20 世纪 90 年代初期可以被视为超级计算机。但是，人工智能和物联网的日益普及（庞大的互联设备网络使从智能电网到智能家居的一切成为可能）将需要新一代的微芯片，它不仅要超越以前的小型化和性能记录，而且还要超越以前的记录。也比现有技术更加节能。

作为这项努力的一部分，伯克利实验室的科学家们正在努力彻底改变晶体管（计算机微芯片的基本组件之一），以实现卓越的性能和能源效率。最近的工作已经展示了新型晶体管材料的前景，该材料使用一种称为负电容的不寻常特性来实现更高效的存储和逻辑器件。当材料具有负电容时，它可以在较低电压下存储大量电荷，这与传统电容材料中发生的情况相反。

现在，一个多学科研究团队已经对负电容的起源有了原子性的理解，使他们能够针对特定的设备应用增强和定制这种现象。这一进步是由 FerroX 实现的，FerroX 是一家开源，团队为负电容研究定制设计的3D仿真框架。他们的工作是报道在日记中先进电子材料。

这项工作是“超越 CMOS 微电子学的超低压协同设计”多年项目的一个重要里程碑，该项目旨在设计比传统硅芯片性能更好且需要更少能源的新型微芯片。

虽然材料开发与应用密切相关的情况并不罕见，但伯克利实验室的微电子研究协同设计方法，即对材料特性的原子理解是由特定设备要求驱动和告知的，加强了各方面研究目标之间的联系。设备开发，依靠实验室著名的跨学科团队科学，希望加速从研发到商业化的进程。

“在制造新材料的过程中需要进行大量的试验和错误。这就像制定新配方一样。研究人员通常必须在实验室中日以继夜地工作才能改变该配方。但是借助我们的建模工具 FerroX，您可以使用自己的模型伯克利实验室应用数学与计算研究部的研究科学家、该研究的资深作者Zhi (Jackie) Yao表示：“我们可以使用自己的计算机来定位可能影响负电容效应性能的特定参数。”

姚和第一作者应用数学与计算研究部的博士后学者 Prabhat Kumar 共同领导了微电子协同设计项目的 FerroX 开发。

揭示负电容的原子起源

2008年，共同作者、加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学教授、伯克利实验室材料科学部高级科学家Sayeef Salahuddin首次提出负电容的概念，以展示一种设计节能计算机的新方法。

负电容通常出现在具有铁电特性的材料中。铁电材料有望成为节能计算机存储器，因为它们的内置电极化可用于存储数据，例如，可以使用低功率电场写入和擦除数据。

在 Salahuddin 提出开创性提案后的几年里，研究人员了解到铁电氧化铪和氧化锆 (HfO) 薄膜中的负电容效应₂氧化锆₂）当薄膜由混合相组成时会发生。

这意味着薄膜的小区域或“颗粒”的原子或“相”排列略有不同。这些相颗粒的尺寸很小——只有几纳米宽——但不同的相具有不同的电子特性，可以相互作用并产生负电容等宏观现象。

Salahuddin 小组已经利用这种现象生产出破纪录的微型电容器，但为了释放负电容的全部潜力，研究人员需要更深入地了解其原子起源。

为此，由 Yao 和 Kumar 共同领导的多学科团队开发了 FerroX。开源框架使他们能够开发铁电薄膜的 3D 相场模拟，在模拟中他们可以随意改变相组成并研究对薄膜电子性能的影响。

库马尔说：“我们的目标是了解这些薄膜中负电容的起源，但目前尚不清楚。”“我们的模拟首次帮助研究人员定制材料的特性，以进一步改善实验室中观察到的负电容。”

结果，伯克利实验室的研究人员发现，可以通过优化畴结构——减小铁电晶粒的尺寸并将它们排列成具有特定的铁电极化方向——来增强负电容效应。

“这种增强负电容的方法在我们的研究之前是未知的，因为以前的模型缺乏可扩展性来轻松探索设计空间，并且缺乏物理定制，”姚说。

Yao 将这种新的建模能力归功于与 Salahuddin 等材料科学家的直接合作，他们帮助 FerroX 开发团队了解如何围绕铁电体物理构建模型，以及伯克利实验室独特的多学科优势，该实验室拥有跨科学学科的研究人员靠近能源部国家能源研究科学计算中心 (NERSC) 的 Perlmutter 超级计算机。

Perlmutter 支持同时需要多个图形处理单元 (GPU) 的复杂模拟、数据分析和人工智能实验。Yao、Kumar 和团队在很大程度上依赖 Perlmutter 来开发 FerroX，该框架现在可供其他研究人员作为可从笔记本电脑移植到超级计算机的开源框架使用。

“令人兴奋的是，FerroX 将能够为学术界、工业界和国家实验室的如此庞大的研究人员群体提供帮助，”姚说。

虽然当前研究中的 FerroX 模型模拟了晶体管栅极处负电容的起源，但伯克利实验室团队计划在未来的研究中使用开源框架来模拟整个晶体管。

Salahuddin 说：“多年来，我们在负电容物理学以及将该物理学集成到实际微电子设备中都取得了重大进展。”“借助 FerroX，我们现在可以从原子开始对这些器件进行建模，这将使我们能够设计具有最佳负值的微电子器件电容表现。如果没有这个涵盖计算科学和材料科学的研究人员共同设计小组的力量，这是不可能实现的。”

更多信息：Prabhat Kumar 等人，多晶多相氧化铪和氧化锆基超薄膜的 3D 铁电相场模拟，先进电子材料（2024）。DOI：10.1002/aelm.202400085