未来智能手机实现超长待机、物联网传感器电池续航数年、可穿戴设备无需频繁充电——这些关于低功耗电子产品的美好愿景，正因一项关键技术突破而加速照进现实。北京大学电子学院邱晨光研究员彭练矛院士团队成功研制出一种名为“纳米栅超低功耗铁电晶体管”的新器件——它像一只能量消耗极低的“记忆开关”，能在极低电压下完成数据存储和读取，成为国际上迄今功耗最低的铁电晶体管，为打造更省电的AI芯片和智能设备提供了关键条件。相关研究成果日前在线发表于国际学术期刊《科学·进展》。

“要理解这个‘开关’有多神奇，得先聊聊如今芯片面临的一大难题：电脑和手机处理器（CPU）在处理数据时，存储和计算是分开的，数据在两个模块之间来回搬运，不仅费时，也很费电。就像厨师做菜时，每放一次调料都要跑回仓库拿，次数多了，时间和体力都浪费了。铁电晶体管这种器件之所以被寄予厚望，就是因为它能把‘仓库’和‘灶台’合二为一：既能计算，又能存储，断电了信息也不会丢。但它有个致命短板：操作它需要的电压与功耗太高，没法直接匹配外部运算电路，来回搬运数据途中需要频繁转换电压。”邱晨光介绍，所需电压过大的问题严重限制了铁电存储器在高能效AI芯片、便携式智能设备等对功耗敏感场景中的规模化应用。

研究团队的突破，在于用一种极其巧妙的办法解决了这个矛盾。他们把晶体管的关键部件——栅极长度缩小至1纳米。“这是什么概念？一根头发丝的直径大约是8万到10万纳米。在这个原子级别尺度上，我们打造出了一个极细的‘电场探针’。当给这个探针通上电，神奇的事情发生了：电场能量会像水流汇聚到针尖一样，高度集中在一个点上。结果就是，只需要施加0.6伏的微小电压，就能用‘四两拨千斤’的方式，轻松拨动这个开关，完成数据存储。而传统的器件在同样的电压下，电场能量在空间上是分散的，根本拨不动这个开关。”邱晨光表示。

“这就好比用极细的针把力量集中在一点上，很容易就撬动了原本需要大力气才能搬动的重物。”邱晨光介绍，这种设计打破了传统铁电晶体管的物理限制，让电压效率提升至125%，首次突破了铁电材料的理论极限，真正实现了超低功耗下的数据高效存储。

这项突破的意义，不仅仅在于好看的实验数据。彭练矛表示，0.6伏的工作电压，比现在主流芯片用的0.7伏还要低；而它的开关能耗，更是比国际最好水平降低了整整一个数量级。这意味着，如果未来这项技术走向实用，搭载这种芯片的手机、自动驾驶仪、云端服务器等，可用极少电量完成大量计算和存储任务。“对于正在飞速发展的AI技术来说，这更是一剂良药——如今的大模型和芯片都是‘电老虎’，能耗墙已经成了继续提升算力的最大阻碍。而这种‘越小越省电、越小越好用’的新器件，为突破这堵墙打开了一扇新的大门。”