一种大幅降低芯片功耗的方法

（原标题：一种大幅降低芯片功耗的方法）

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来源：内容编译自arizona，谢谢。

作为其未来半导体（FuSe2）计划的一部分，美国国家科学基金会最近为亚利桑那大学工程师开发半导体能源难题解决方案的两个项目拨款 380 万美元。

根据美国能源部的数据，从数据中心、计算机和智能手机到太阳能电池、电动汽车和医疗设备等半导体技术所消耗的能源自 2010 年以来每三年翻一番 。到 2030 年，这些产品可能会消耗全球近 20% 的能源。

FuSe2 资助的研究和教育旨在解决美国半导体行业面临的关键挑战。这两个跨学科、多所大学参与的项目利用了阿尔伯塔大学工程学院在无线通信和计算机内存系统方面的专业知识。每个团队将在三年内获得 190 万美元的资助。

亚利桑那大学研究与创新高级副总裁 Tomás Díaz de la Rubia 表示：“半导体技术是现代经济的基础，对于解决当今时代从能源效率到先进计算再到国家安全等重大挑战至关重要。亚利桑那大学的开创性工作体现了推动技术进步和确保未来可持续解决方案所必需的创新。”

电气和计算机工程系主任教授 Marwan Krunz正在开发一种微芯片或半导体集合，预计该芯片或半导体集合将使能源效率提高 10 到 100 倍，并改善下一代无线通信。Kenneth Von Behren 特聘教授领导着阿尔伯塔大学WISPER 中心，该中心于 10 月成立，旨在改善 NextG 的功能和安全性。Krunz 的团队参与了亚利桑那州立大学领导的 FuSe2 项目，因此获得了 575,000 美元的奖金。

物理学和电气与计算机工程学教授王伟刚正在领导开发新型材料和设备，以大幅减少能源浪费，使计算机内存系统速度提高 100 倍，并进一步实现电子设备的小型化。阿尔伯塔大学将获得该项目总奖金中的 110 万美元。

行业联盟半导体研究公司表示，能源需求猛增以及对环境可持续性的担忧威胁着市场推动计算技术进步的能力。

根据 SRC 的半导体十年计划，计算领域很快将需要进行革命性变革，并指出世界能源产量每年仅增长 2% 左右。

阿尔伯塔大学半导体战略副总裁兼电气与计算机工程教授利斯尔·福尔克斯 (Liesl Folks)表示：“这些团队正在攻克先进技术的核心技术难题，这些技术将在降低能耗的同时改善通信和计算能力。”

旋转速度更快、效率更高的半导体

电气与计算机工程副教授、联合首席研究员Tosiron Adegbija表示，王教授的团队“正在将理论研究与实验制造相结合，开发新材料，旨在彻底改变整个计算领域的能源消耗——从耗电的人工智能系统到日常设备” 。

一块芯片可以容纳数十亿个 硅基晶体管，这是当今计算机内存的基础。晶体管不断在 1 和 0 这两个二进制状态之间切换—— 这是计算机语言，表示电流通或断。数十亿个二进制数字或位用于存储、处理和传输数据，例如文本、数字、图像和视频。任务或计算越复杂，晶体管消耗的能量就越大。

研究人员正在研究磁隧道结，这种结未来可能取代晶体管来存储信息。磁隧道结不是利用电荷，而是利用电子的量子力学特性（称为自旋）来存储和操纵信息。人们已经对这些设备进行了大约 25 年的研究。但它们的铁磁电极的行为（类似于指南针中的电极，但处于纳米级）限制了该技术的使用。

王和他的团队正在研究具有反铁磁体的新型设备。与铁磁体的区别在于其内部自旋的排列。一旦反铁磁设备写入 0 或 1，即使断电，信息仍会保留，从而显著节省能源。

“这就像冰箱门上的磁铁，可以保持 10 年不变，因为自旋是由量子力学力结合在一起的，”王先生说，他于 2012 年建立了阿尔伯塔大学自旋实验室，也是该大学 半导体制造中心的研究员。

此外，由于每个反铁磁隧道结不会与其他类似的隧道结相互作用，因此可以在更小的设备中将更多的隧道结紧密地封装在一起。

阿尔伯塔大学各年级的学生都将参与 FuSe2 的两个项目。王先生还与桑尼赛德高中合作，将图森的教师和学生带入 Spin Lab。

福尔克斯表示，为半导体行业培养合格的工人至关重要。

她说：“让教师和学生参与新技术的开发非常重要，这样他们就会对未来充满兴奋。”

https://news.arizona.edu/news/u-engineers-tackle-energy-usage-semiconductor-technology

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