拋棄晶體管，低功耗NEMS繼電器能取代嗎

依賴(lài)能量收集的物聯(lián)網(wǎng)芯片可以使用低功率繼電器進(jìn)行計(jì)算。專(zhuān)家們夢(mèng)想有一天，大部分物聯(lián)網(wǎng)（IoT）器件都可以實(shí)現(xiàn)自給自足。但是，大多數(shù)原型系統(tǒng)通過(guò)從環(huán)境熱量、光、無(wú)線(xiàn)電波甚至細(xì)菌代謝等環(huán)境中收集的能量，并不能提供足夠的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)晶體管。

一種可能的解決方案，是拋棄晶體管，轉(zhuǎn)而采用微/納米級(jí)機(jī)械開(kāi)關(guān)。根據(jù)近日在IEEE國(guó)際電子元件會(huì)議（International Electron Device Meeting）上提出的一項(xiàng)研究，納機(jī)電系統(tǒng)（NEMS）繼電器可以?xún)H使用50毫伏的電壓實(shí)現(xiàn)切換，這大約是處理器上晶體管所需要的1/15。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的IEEE Fellow劉金（Tsu-Jae King Liu）實(shí)驗(yàn)室的研究生Alice Ye解釋稱(chēng)，一種被稱(chēng)為亞閾值斜率的CMOS晶體管固有屬性，其值愈小，器件的開(kāi)關(guān)（即在導(dǎo)通態(tài)和截止態(tài)之間的轉(zhuǎn)換）速度就愈快，限定了開(kāi)啟晶體管的電壓下限。但隨著制造商越來(lái)越接近這一限制，完全關(guān)閉晶體管變得更加困難。也就是說(shuō)，即使當(dāng)晶體管關(guān)閉時(shí)，電流也會(huì)在它們之間泄漏，從而浪費(fèi)電能。

“理想的器件是幾乎沒(méi)有關(guān)閉狀態(tài)的電流泄漏，以及零亞閾值擺動(dòng)，”Ye說(shuō)。而這正是NEMS繼電器可以提供的理想性能。

Ye的研究展示了比以往更接近理想要求的繼電器。繼電器基本上是由彈簧懸置的薄片方形平臺(tái)。施加到平臺(tái)上的電壓拉動(dòng)平臺(tái)向下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)兩組電極接觸，從而導(dǎo)通電流。移除電壓，彈簧回彈，斷開(kāi)連接。

劉金的實(shí)驗(yàn)室十多年來(lái)一直在研究NEMS繼電器，其早期研究較少關(guān)注低電壓運(yùn)行。但在過(guò)去的幾年里，他們一直致力于盡可能低地降低電源電壓。其研究涉及兩項(xiàng)創(chuàng)新。第一個(gè)是“bias”NEMS本體。也就是說(shuō)，它們?cè)谄骷路皆O(shè)置了穩(wěn)定、不變的電壓。設(shè)置此偏置電壓后，繼電器觸點(diǎn)結(jié)合需要的電壓會(huì)降低很多。

第二項(xiàng)創(chuàng)新與觸點(diǎn)有關(guān)。一旦柵極結(jié)合觸點(diǎn)，金屬和金屬的接觸需要一些額外的力來(lái)打破。在實(shí)踐中，這意味著以200毫伏開(kāi)啟的繼電器，可能需要將電壓降至100毫伏才會(huì)關(guān)斷。為了減少這種稱(chēng)為遲滯電壓的差異，劉金的團(tuán)隊(duì)首先重新設(shè)計(jì)了開(kāi)關(guān)，將四對(duì)觸點(diǎn)改為兩對(duì)觸點(diǎn)。他們還在制造過(guò)程中增加了一個(gè)步驟，用單分子厚的潤(rùn)滑劑層涂覆表面?！巴繉优c特氟龍相似，因此它的附著力非常低，”Ye說(shuō)。

這些創(chuàng)新的結(jié)合，將遲滯電壓降低到了可接受的水平，不過(guò)，需要付出一定的成本。因?yàn)橛|點(diǎn)潤(rùn)滑劑層間的擠壓，該器件現(xiàn)在不會(huì)急劇地接通斷開(kāi)，而是具有輕微的亞閾值擺動(dòng)。即便如此，最終的器件可以在50毫伏下工作，并可以組合成幾種類(lèi)型的邏輯門(mén)。

繼電器適用于與CMOS晶體管不同的邏輯形式，稱(chēng)為“pass-gate logic”，它需要更少的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)相同的輸出。使用早期版本的器件，他們構(gòu)建了包括一個(gè)32位加法器的多門(mén)系統(tǒng)?！拔覀冎牢覀兛梢允惯@些更復(fù)雜，”劉金說(shuō)。

據(jù)劉金介紹，除了極低的電壓要求外，NEMS繼電器制成的電路還具有其他優(yōu)勢(shì)。首先，它們的開(kāi)關(guān)特性相比硅系統(tǒng)，能夠在更寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。此外，它們本身也具有耐受輻射的能力。

劉金的團(tuán)隊(duì)接下來(lái)將進(jìn)一步使繼電器的工作電壓降低到10毫伏。劉金說(shuō)他們對(duì)這個(gè)目標(biāo)非常樂(lè)觀(guān)。他們還在研究將繼電器集成到標(biāo)準(zhǔn)CMOS芯片中。為此，他們?cè)O(shè)計(jì)了可以垂直構(gòu)建的繼電器，以適應(yīng)現(xiàn)代處理器中堆疊在硅片上方的多層互連。這種混合系統(tǒng)可以連續(xù)地以低水平運(yùn)行，然后在設(shè)定的事件觸發(fā)時(shí)與主處理器接合。