日本科學家打造突破微縮限制的記憶體晶片，或使小型電子設備續航力大增數十倍
智慧手機長時間使用為何容易發燙、電量急速下滑？根本原因之一，就在設備電子電路與記憶體運行時不斷消耗電能與散發熱量。
為了解決問題，科學家早在 1971 年便提出潛力解方──鐵電隧道結（ferroelectric tunnel junction，FTJ）。這種記憶體利用「鐵電性」原理運作：特定材料內電極化方向可受外加電場切換，極化狀態改變會影響電流通過材料的難易度，故能以 0 與 1 儲存資料。
但傳統鐵電材料有大弱點：元件尺寸若縮小，性能就跟著劣化，使發展陷入瓶頸。
氧化鉿打開新局
轉機出現在 2011 年。科學家發現，廣泛用於半導體製造的材料「氧化鉿」（hafnium oxide），即使薄到極限，仍保有電極化特性。以此為基礎，東京科學大學（Institute of Science Tokyo）真島豊教授（Yutaka Majima）率領團隊，開發僅 25 奈米見方的超微型記憶體元件，約人類頭髮直徑三千分之一。
將記憶體縮小至這個程度，就面臨新棘手挑戰：電流容易沿著材料內微小晶粒的晶界（晶粒邊界）洩漏，這問題長期阻礙元件再微縮。團隊採取反直覺策略：不迴避問題，而是把元件做得更小，降低晶界對性能的影響。他們同時開發全新製程，加熱電極使其自然形成半圓形結構，讓元件內部更接近單晶（single crystal）狀態，根本上減少漏電路徑。
「越小越好」顛覆傳統認知
結合上述結構設計與極致微縮，團隊元件達成優異性能，更證實出乎意料的現象：元件越小，性能反而越好，顛覆了電子產業長期「縮小必然造成性能損失」的假設。
若新技術順利商業化，影響相當深遠。智慧手錶或許只充電一次就能使用數個月，遍布各處的感測器網路也不再需要頻繁更換電池。人工智慧（AI）領域，這類記憶體有望大幅降低耗電時加速運算。由於氧化鉿本就相容現有半導體製程，整合門檻較低，有望加速商業化。
真島豊教授表示：「挑戰科學的極限，就像在黑暗中前行，是持續的掙扎。但正是質疑既有假設、探索克服障礙的新方法，我們才能發現全新視野。希望這項成果能激發年輕世代的好奇心，共同建構更美好的世界。」
Scientists built a memory chip that breaks the rules of miniaturization
Smaller but stronger: a 25-nanometer memory that challenges traditional limits
（首圖來源：東京科学大学）