二进制时代将没落？三进制逻辑器件研究百花齐放，但仍处实验室研究阶段

近年来，随着高效能计算机，人工智能等领域飞速发展，对更高性能，更低功耗以及更小尺寸的半导体器件的追求推动着研究人员不断突破边界，探索新型存储器件。

当前市场普遍采用的均是二进制逻辑体系，更符合人类思维模式的三进制逻辑体系相对于二进制具有面积更小，带宽更高，功耗更低的优势。正是这些优异的性能吸引了全球大批研究者的关注。

三进制器件研究百花齐放，但尚处实验室研究阶段

当然，关于三进制逻辑器件的研究尚处于实验验证阶段，不断有基于不同材料介质、原理的三进制逻辑器件被研发出来。构建三进制逻辑体系器件中最主要的就是多阈值电压体系的建立，这是实现三进制逻辑器件功率扩展和实现大规模量产的关键。

其中，碳纳米管场效应晶体管（CNTFET）作为一种热度较高的一种构建三进制逻辑体系的器件，主要通过纳米级控制碳纳米管直径的方式实现多阈值电压体系，对低功耗，大规模集成体系设计来讲是不错的选择。

碳纳米管于1991年发现，由一层或者数层同轴碳原子层组成的圆筒状结构。其简单的制备过程以及物理机理使其成为MOSFET的替代者。

图片来源：Carbon Nanotube Field Effect Transistor-Based Combinational Circuits

2019年10月，日本研发团队从全固态锂电池模型中得到启发，发表一款新型超低功耗三进制的存储器件。器件是由金属锂，磷酸锂和金属镍三层薄膜堆叠而成，可以形成三种稳定的状态分别为：低电压状态，中间电压状态和高电压状态。而且这三种电压之间的转换具有可逆重复性。这是该器件形成三进制逻辑器件的根本原理。

在这个由固态锂电池受到启发得到的三进制逻辑模型中的三种电压状态中，中间电压是最稳定的状态，高电压和低电压都趋向收敛于中间状态，该模型有望应用于低功耗存储器件中。

图片来源：Low-Energy-Consumption Three-Valued Memory Device Inspired by Solid-State Batteries

此外，石墨烯纳米带场效应晶体管（GNRFETs）也是备受研发人员追捧的三进制逻辑器件，其不同状态的阈值电压是通过调节石墨烯晶体管宽度实现的。此外，石墨烯纳米带晶体管的性能和电流密度可以通过增加石墨烯纳米带的层数实现。

去年7月份，由韩国蔚山科技大学Kim Kyung-rok教授领导的研究小组成功研发了世界上第一个大尺寸晶圆上的三进制半导体设计，理论上可以实现单位面积减少37%的器件数量和36%互联线路，对未来开发低功耗和高效能的微芯片有重要的意义。

三进制晶体管发展或将促进三进制计算体系普及

现今的计算机都使用“二进制”数字系统，尽管它的计算规则非常简单，但其实“二进制”逻辑并不能完美地表达人类的真实想法。相比之下，“三进制”逻辑更接近人类大脑的思维方式。

因为在一般情况下，我们对问题的看法不是只有“真”和“假”两种答案，还有一种“不知道”。在三进制逻辑学中，符号“1”代表“真”；符号“-1”代表“假”；符号“0”代表“不知道”。显然这种逻辑更符合计算机在人工智能领域的发展趋势。

事实上，早在1840年苏联莫斯科国立大学就已经制造了世界首款数字电子三进制计算机，然而，由于当时三进制晶体管的发展不足以支撑其性能加之一些历史原因，使其没有得到广泛发展。

三进制逻辑固然有诸多优点，然而，其普及不仅需要软件编程的支持，更需要硬件性能的支持。但是，目前三进制逻辑晶体管研制仍没有达到可以商业化的程度，相信随着器件工艺的不断成熟，也会推动三进制计算的发展。