研发出应用“三进制”且“速度更快”的下一代半导体器件

Published 11 Jul.2023 14:15(KST)

KAIST-嘉泉大学联合研究团队

现有计算机使用以0和1为基础的二进制逻辑电路。但随着自动驾驶、人工智能（AI）等需要复杂计算的技术日常化，人们开始要求能够更快处理、处理更多数据的替代方案。国内研究团队开发出应用三进制而非二进制的下一代半导体技术，引发关注。

研究团队新开发的三进制数字逻辑电路应用于下一代半导体的示意图。图源为KAIST提供

韩国科学技术院（KAIST）11日表示，由任成甲生命化学工程系教授研究团队与柳浩天嘉泉大学教授研究团队共同组成的联合团队，世界首次成功实现了一种可提供更高数据处理效率和集成度的新概念数字逻辑电路。

与使用0、1两种逻辑状态的二进制逻辑电路相比，三进制逻辑电路使用0、1、2三种逻辑状态来表示信息，是一种下一代半导体技术。由于可以用更少的逻辑单元来表示相同信息，通过更高的信息处理效率，有望实现半导体芯片的高速化、低功耗化和小型化。然而，由于逻辑状态增加1个，要稳定输出全部三种逻辑信号存在困难，以及二进制逻辑体系与三进制逻辑体系之间互不兼容等问题，一直被视为阻碍三进制逻辑电路商业化的障碍。

为解决这些问题，研究团队开发出一种能够在电路运行过程中实时调节三进制逻辑电路输出特性的全新逻辑器件。研究团队关注到计算机中可根据需要存储或重新抹除信息的装置——闪存（Flash Memory）。他们在构成电路的逻辑器件中集成闪存，使三进制逻辑电路本身即可存储信息。研究团队确认，根据三进制逻辑电路所存储的信息，逻辑状态1的输出特性可以被系统性调节。通过这一方式，成功将三进制逻辑电路的工作稳定性（噪声容限）提升至约60%的世界最高水平。

此外，研究团队还利用这样一个特性：当完全抹除三进制逻辑电路中存储的信息时，不再输出逻辑状态“1”，而仅输出“0”和“2”这两种逻辑状态，从而成功实现了既可进行二进制又可进行三进制逻辑运算的电路。不仅如此，研究团队还通过在构成逻辑电路的各个逻辑器件中分别存储不同信息的方式，将二进制和三进制逻辑输出进行组合。由此，他们确认，通过实现具有多种逻辑输出形式的逻辑电路，还可以进一步提升三进制逻辑电路的信息处理效率和集成度。

研究团队开发的这一逻辑器件，能够在同一块半导体芯片内联动二进制逻辑电路与三进制逻辑电路进行数据和信号传输，具有重要意义。这意味着在保留现有二进制体系的同时，可以根据需要灵活利用三进制所具备的高信息处理能力，预计今后将在三进制半导体商业化的初始阶段发挥核心技术作用，备受期待。