芯片堆叠技术突破有望降低AI能耗

　　据美国趣味科学网站1月14日报道，麻省理工学院的工程师说，将电路元件堆叠起来可能是制造更节能人工智能(AI)芯片的解决方案。分别负责执行计算和存储数据的逻辑元件和存储元件在直接接触时比分开时更容易传输数据。

　　该团队创造了一种“存储晶体管”，它由一个可以执行计算的逻辑元件(晶体管)和一个存储元件组成。科学家们在2025年12月于旧金山举行的国际电子器件会议上介绍了两项研究，他们在研究中指出，这种纳米级器件的电气缺陷相对较少，这意味着它可以在运行速度更快的同时消耗更少的电力。

　　这项突破对于人工智能、深度学习和计算机视觉等高能耗应用尤为重要。据国际能源署预测，到2030年，全球数据中心的电力消耗预计将增长130%左右，达到约945太瓦时，这主要是由于人们对人工智能的依赖性日益增强。

　　仅仅与聊天生成预训练转换器(ChatGPT)进行一次交互产生的热量就需要消耗相当于一瓶水的水量来冷却。但与人工智能有关的大部分电力都用于在组件之间传输数据，而不是执行计算。科学家们认为，即使芯片上只节省一点点电也会产生巨大的影响。

　　该研究的主要作者、麻省理工学院博士后研究员邵彦杰(音)说：“我们必须尽可能减少未来人工智能和其他以数据为中心的计算所消耗的电力，因为这根本不可持续。我们需要像这种集成平台一样的新技术来继续推进这一进程。”

　　现代芯片包含由晶体管构成的逻辑电路：这些晶体管就像开关一样，控制着电流。芯片还拥有存储电路，其中包含晶体管以及其他可以存储数据的材料。

　　传统上，逻辑电路和存储电路是分开的，数据必须通过导线和互连线在它们之间传输，这一过程中会有能耗。虽然有源元件的堆叠似乎是一个显而易见的解决方案，但挑战在于如何在不造成损坏的情况下实现这一点。例如，沉积(即控制形成构成这些元件的超薄层)需要在低温下进行，因为某些晶体管无法承受高温。

　　为克服这个问题，科学家们构建了一种逻辑晶体管，其有源沟道层(电流流动的区域)由氧化铟制成。关键在于，这种材料可以在约150摄氏度的温度下沉积成2纳米厚的薄层。这个温度足够低，不会影响其他晶体管。

　　在氧化铟晶体管之上，科学家们垂直堆叠了一个存储元件(一层10纳米厚的铁电铪锆氧化物)，它令该器件能够存储数据并进行数据处理。由此产生的存储晶体管可在短短10纳秒内完成开关操作，并且工作电压低于1.8伏。典型的铁电存储晶体管的开关速度通常要慢得多，并且需要3至4伏的电压。

　　由于该存储晶体管被构建在芯片的“后端”，即连接前端有源元件的导线和金属键合所在的位置，因此效率更高。邵彦杰(音)说，这样做可以显著提高芯片的集成密度。

　　在这两项研究中，存储晶体管仅被构建在类似芯片的结构上，而非实际运转的电路中。研究团队希望进一步提升晶体管的性能，使其能够首先集成到单个电路中，然后再集成到更大的电子系统中。（编译/李莎）