由於微晶片的進步，今天的智慧型手機功能非常強大，在 20 世紀 90 年代初期可以被視為超級電腦。但是，人工智慧和物聯網的日益普及（龐大的互聯設備網路使從智慧電網到智慧家庭的一切成為可能）將需要新一代的微晶片，它不僅要超越以前的小型化和性能記錄，而且還要超越先前的記錄。

作為這項努力的一部分，伯克利實驗室的科學家們正在努力徹底改變電晶體（電腦微晶片的基本組件之一），以實現卓越的性能和能源效率。最近的工作已經展示了新型晶體管材料的前景，該材料使用一種稱為負電容的不尋常特性來實現更高效的儲存和邏輯裝置。當材料具有負電容時，它可以在較低電壓下儲存大量電荷，這與傳統電容材料中發生的情況相反。

現在，一個多學科研究團隊已經對負電容的起源有了原子性的理解，使他們能夠針對特定的設備應用增強和定制這種現象。這項進步是由 FerroX 實現的，FerroX 是一家開源，團隊為負電容研究客製設計的3D仿真框架。他們的工作是報道在日記中先進電子材料。

這項工作是「超越 CMOS 微電子學的超低壓協同設計」多年專案的一個重要里程碑，該專案旨在設計比傳統矽晶片性能更好且需要更少能源的新型微晶片。

雖然材料開發與應用密切相關的情況並不罕見，但伯克利實驗室的微電子研究協同設計方法，即對材料特性的原子理解是由特定設備要求驅動和告知的，加強了各方面研究目標之間的聯繫。

「在製造新材料的過程中需要進行大量的試驗和錯誤。這就像製定新配方一樣。研究人員通常必須在實驗室中日以繼夜地工作才能改變該配方。但是藉助我們的建模工具FerroX，您可以使用自己的模型伯克利實驗室應用數學與計算研究部的研究科學家、該研究的資深作者Zhi (Jackie) Yao表示：“我們可以使用自己的計算機來定位可能影響負電容效應性能的特定參數。”

姚和第一作者應用數學與計算研究部的博士後學者 Prabhat Kumar 共同領導了微電子協同設計計畫的 FerroX 開發。

揭示負電容的原子起源

2008年，共同作者、加州大學柏克萊分校電機工程與電腦科學教授、柏克萊實驗室材料科學部資深科學家Sayeef Salahuddin首次提出負電容的概念，以展示設計節能電腦的新方法。

負電容通常出現在具有鐵電特性的材料中。鐵電材料有望成為節能電腦記憶體，因為它們的內建電極化可用於儲存數據，例如，可以使用低功率電場寫入和擦除資料。

在 Salahuddin 提出開創性提案後的幾年裡，研究人員了解到鐵電氧化鉿和氧化鋯 (HfO) 薄膜中的負電容效應₂氧化鋯₂）當薄膜由混合相組成時會發生。

這意味著薄膜的小區域或“顆粒”的原子或“相”排列略有不同。這些相顆粒的尺寸很小——只有幾奈米寬——但不同的相具有不同的電子特性，可以相互作用並產生負電容等宏觀現象。

Salahuddin 小組已經利用這種現象來生產破紀錄的微型電容器，但為了釋放負電容的全部潛力，研究人員需要更深入地了解其原子起源。

為此，由 Yao 和 Kumar 共同領導的多學科團隊開發了 FerroX。開源框架使他們能夠開發鐵電薄膜的 3D 相場模擬，在模擬中他們可以隨意改變相組成並研究對薄膜電子性能的影響。

庫馬爾說：“我們的目標是了解這些薄膜中負電容的起源，但目前尚不清楚。”“我們的模擬首次幫助研究人員定製材料的特性，以進一步改善實驗室中觀察到的負電容。”

結果，伯克利實驗室的研究人員發現，可以透過優化疇結構——減小鐵電晶粒的尺寸並將它們排列成具有特定的鐵電極化方向——來增強負電容效應。

「這種增強負電容的方法在我們的研究之前是未知的，因為以前的模型缺乏可擴展性來輕鬆探索設計空間，並且缺乏物理定制，」姚說。

Yao 將這種新的建模能力歸功於與Salahuddin 等材料科學家的直接合作，他們幫助FerroX 開發團隊了解如何圍繞鐵電體物理構建模型，以及伯克利實驗室獨特的多學科優勢，該實驗室擁有跨科學學科的研究人員靠近能源部國家能源研究科學計算中心 (NERSC) 的 Perlmutter 超級電腦。

Perlmutter 支援同時需要多個圖形處理單元 (GPU) 的複雜模擬、數據分析和人工智慧實驗。Yao、Kumar 和團隊在很大程度上依賴 Perlmutter 來開發 FerroX，該框架現在可供其他研究人員作為可從筆記型電腦移植到超級電腦的開源框架使用。

「令人興奮的是，FerroX 將能夠為學術界、工業界和國家實驗室的如此龐大的研究人員群體提供幫助，」姚說。

雖然目前研究中的 FerroX 模型模擬了電晶體閘極處負電容的起源，但柏克萊實驗室團隊計劃在未來的研究中使用開源框架來模擬整個電晶體。

Salahuddin 說：“多年來，我們在負電容物理學以及將該物理學整合到實際微電子設備中都取得了重大進展。”「借助 FerroX，我們現在可以從原子開始對這些裝置進行建模，這將使我們能夠設計具有最佳負值的微電子裝置電容表現。如果沒有這個涵蓋計算科學和材料科學的研究人員共同設計小組的力量，這是不可能實現的。

更多資訊：Prabhat Kumar 等人，多晶多相氧化鉿和氧化鋯基超薄膜的 3D 鐵電相場模擬，先進電子材料（2024）。DOI：10.1002/aelm.202400085