抛弃晶体管，低功耗NEMS继电器能取代吗

依赖能量收集的物联网芯片可以使用低功率继电器进行计算。专家们梦想有一天，大部分物联网（IoT）器件都可以实现自给自足。但是，大多数原型系统通过从环境热量、光、无线电波甚至细菌代谢等环境中收集的能量，并不能提供足够的电压来驱动晶体管。

一种可能的解决方案，是抛弃晶体管，转而采用微/纳米级机械开关。根据近日在IEEE国际电子元件会议（International Electron Device Meeting）上提出的一项研究，纳机电系统（NEMS）继电器可以仅使用50毫伏的电压实现切换，这大约是处理器上晶体管所需要的1/15。

据麦姆斯咨询报道，美国加州大学伯克利分校的IEEE Fellow刘金（Tsu-Jae King Liu）实验室的研究生Alice Ye解释称，一种被称为亚阈值斜率的CMOS晶体管固有属性，其值愈小，器件的开关（即在导通态和截止态之间的转换）速度就愈快，限定了开启晶体管的电压下限。但随着制造商越来越接近这一限制，完全关闭晶体管变得更加困难。也就是说，即使当晶体管关闭时，电流也会在它们之间泄漏，从而浪费电能。

“理想的器件是几乎没有关闭状态的电流泄漏，以及零亚阈值摆动，”Ye说。而这正是NEMS继电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继电器。继电器基本上是由弹簧悬置的薄片方形平台。施加到平台上的电压拉动平台向下运动，实现两组电极接触，从而导通电流。移除电压，弹簧回弹，断开连接。

刘金的实验室十多年来一直在研究NEMS继电器，其早期研究较少关注低电压运行。但在过去的几年里，他们一直致力于尽可能低地降低电源电压。其研究涉及两项创新。第一个是“bias”NEMS本体。也就是说，它们在器件下方设置了稳定、不变的电压。设置此偏置电压后，继电器触点结合需要的电压会降低很多。

第二项创新与触点有关。一旦栅极结合触点，金属和金属的接触需要一些额外的力来打破。在实践中，这意味着以200毫伏开启的继电器，可能需要将电压降至100毫伏才会关断。为了减少这种称为迟滞电压的差异，刘金的团队首先重新设计了开关，将四对触点改为两对触点。他们还在制造过程中增加了一个步骤，用单分子厚的润滑剂层涂覆表面。“涂层与特氟龙相似，因此它的附着力非常低，”Ye说。

这些创新的结合，将迟滞电压降低到了可接受的水平，不过，需要付出一定的成本。因为触点润滑剂层间的挤压，该器件现在不会急剧地接通断开，而是具有轻微的亚阈值摆动。即便如此，最终的器件可以在50毫伏下工作，并可以组合成几种类型的逻辑门。

继电器适用于与CMOS晶体管不同的逻辑形式，称为“pass-gate logic”，它需要更少的器件来实现相同的输出。使用早期版本的器件，他们构建了包括一个32位加法器的多门系统。“我们知道我们可以使这些更复杂，”刘金说。

据刘金介绍，除了极低的电压要求外，NEMS继电器制成的电路还具有其他优势。首先，它们的开关特性相比硅系统，能够在更宽的温度范围内保持稳定。此外，它们本身也具有耐受辐射的能力。

刘金的团队接下来将进一步使继电器的工作电压降低到10毫伏。刘金说他们对这个目标非常乐观。他们还在研究将继电器集成到标准CMOS芯片中。为此，他们设计了可以垂直构建的继电器，以适应现代处理器中堆叠在硅片上方的多层互连。这种混合系统可以连续地以低水平运行，然后在设定的事件触发时与主处理器接合。