わずか1ナノ、最低消費電力！北京大学チームが半導体分野で重要な突破を実現

2026-02-24 02:36:20

北京大学電子学部の公式発表によると、北京大学は非揮発性メモリの分野で画期的な進展を遂げました。電子学部の邱晨光・彭練矛チームは、物理的ゲート長を1ナノメートルの限界まで縮小した強誘電トランジスタを成功裏に開発し、これまでで最も小型で低消費電力の強誘電トランジスタを創出しました。これにより、AIチップの計算能力とエネルギー効率の向上に寄与するコアデバイスの支援が期待されています。関連する研究成果は、Science Advancesにオンラインで公開されました。

以下は原文記事です：

電子学部の邱晨光と彭練矛のチームは、世界最低消費電力の強誘電トランジスタを開発しました

北京大学は非揮発性記憶の分野で画期的な進展を遂げました。電子学部の邱晨光と彭練矛のチームは、初めて「ナノゲート超低消費電力強誘電トランジスタ」を提案しました。チームは、強誘電貯蔵デバイスの構造を巧みに設計し、ナノゲート電場収束効果を導入することで、**0.6Vの超低電圧で動作可能な強誘電体トランジスタを開発し、エネルギー消費を0.45 fJ/μmに削減し、物理的ゲート長を1ナノメートルの限界まで短縮しました。これは世界最小サイズの強誘電トランジスタであり、高性能な1ナノメートル未満のノードチップや高計算能力のAIチップアーキテクチャの構築にさらなる可能性をもたらします。**この画期的な成果は、「Nanogate ferroelectric transistors with ultralow operation voltage of 0.6 V」というタイトルで、ScienceのサブジャーナルであるScience Advancesにオンライン公開されました。

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論理デバイスとメモリデバイスは、集積回路を構成する二大基盤部品です。論理ユニットはチップの「演算・制御中枢」を担い、メモリユニットは「データ倉庫」として、集積回路市場の70%以上を占めています。ムーアの法則に従い、論理トランジスタは微細化とアーキテクチャの反復により性能を向上させ続けており、現在では2ナノメートルノードの論理チップの量産が実現し、CMOSトランジスタは0.7Vの低電圧で動作しています。しかし一方、非揮発性メモリの性能開発は数十年遅れており、主流のフラッシュストレージ技術は高度なノードへの微細化が困難です。最も重要なのは、フラッシュストレージがデータ消去に5V以上の高電圧を必要とする点です。そのため、既存のチップは論理セルと非揮発性記憶装置間に昇降圧回路を統合し、動作電圧の変換を行う必要があり、これが面積の増加やエネルギー消費の増大といった問題を引き起こしています。さらに、現代のAIチップアーキテクチャの核心はデータフローの最適化にあり、論理と記憶間の電圧不一致はデータのやり取りを妨げ、AIチップの計算能力を著しく低下させ、エネルギー消費を大きく増加させています。

論理チップとメモリチップの電圧進化と、産業界に適合するナノゲート強誘電記憶構造の展望

強誘電トランジスタは、強誘電体材料の分極反転を利用してデータを記憶するもので、ポストムーア時代のチップ技術において非常に有望な半導体メモリとして、学術界と産業界の双方から広く注目されています。極性二安定記憶機構と三端子構造により、非揮発性の記憶と高速演算を融合したアーキテクチャの構築が期待されており、**「ストレージの壁」を打破し、人工知能の基盤となるアーキテクチャ革新を実現する重要な新技術です。**しかし、これまで平坦な強誘電体の矯顽電圧の物理的制約により、従来の強誘電トランジスタは1.5V以上の電圧で強誘電極化の反転とデータ消去を行う必要がありました。フラッシュより優れているものの、従来の理論では電圧を0.7V以下に下げることは不可能であり、論理電圧レベルに適合させることもできません。0.7V未満の超低電圧記憶技術の実現は、記憶の壁を突破し、AIチップの計算能力を向上させる鍵となります。

ナノゲート強誘電トランジスタの超低電圧電気特性評価

本研究において、邱晨光・彭練矛チームは、初めて「ナノゲート強誘電トランジスタ構造」と「ナノゲート電界増強機構」を提案しました。デバイス構造を最適化し、ゲート電極のサイズを巧みにナノメートルスケールまで縮小しました。ナノゲートの尖端電場収束効果を利用して、強誘電層内に高度に局所化された強電場集中域を構築し、局所電界の強度を効果的に増幅させ、従来の平坦な強誘電体の矯顽電圧の限界を超え、「低電圧と高電界の両立は不可能」という従来の認識を打ち破り、0.6Vの超低動作電圧を実現しました。これにより、強誘電体の記憶電圧を論理電圧と同程度にまで低下させることに成功しました。開発された強誘電トランジスタの消費エネルギーは0.45 fJ/μmと非常に低く、国際的な報告を大きく上回っています。記憶速度も約1ナノ秒に近づいています。この研究は、強誘電トランジスタが物理的ゲート長を1ナノメートルまで縮小した際に、電場が顕著に収束・強化され、極小のゲートサイズが強誘電記憶特性を効果的に向上させるという、世界で初めてのサイズ微細化の優位性を示しています。これは、将来的なサブナノメートルノードチップの構築において、強誘電メモリが大きな利点を持つことを示唆しています。