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積體電路不再漏電的明天?潛力股 MESO 讓電腦手機更小更快!

活躍星系核_96
・2020/09/28 ・1487字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

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用科學預見半導體的未來!PanSci 泛科學現正強力徵件!邀請半導體領域專家、研究者、學生來與臺灣最大的科學社群分享你最懂的半導體科學主題~不管是評論、科普、還是圖文影音,都歡迎與我們聯繫:contact@pansci.asia

文/台大物理系大二學生 林彥全、林禹廷
台大數學系大二學生 董沛承

半導體 CMOS 積體電路設計製程末路

互補式金屬氧化物半導體 (CMOS) 是目前最廣泛使用於積體電路 (IC) 的設計製程,具有能量耗損較低、發熱量少等優點,所以現今的 IC 大多使用 CMOS 。但 CMOS 也逐漸遇到許多無法突破的極限,例如理想的電晶體在截止狀態時電流應該為零,但實際上依然有電流的存在,讓電晶體不斷耗電,就像關不緊的水龍頭一樣。

你可能會想:那把水龍頭鎖得更緊不就解決啦!可是把水龍頭鎖得更緊對應到電子元件就是加大電壓,加大電壓也會增加電路消耗的能量,所以 CMOS 已經沒辦法再更省電了。

除此之外,由於漏電流會隨著電晶體尺寸的縮小而增加,因此漏電流同時也限制了電晶體的大小,換句話說, CMOS 已經沒辦法再更小了。總而言之,為了做出更快、更省電的電腦,人類需要一種完全不同於 CMOS 的設計製程。

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劃時代的發明:MESO 裝置突破的瓶頸

為解決 CMOS 在發展上遇到的瓶頸,英特爾與柏克萊大學的研究人員提出一種全新的裝置──磁電自旋軌道耦合裝置 (MESO) 。

MESO 的運作概念如下圖 1 所示,首先對裝置輸入電流(即輸入電荷訊息),再將此電荷的訊息透過磁電效應 (magnetoelectric effect) 轉變為磁場的資訊,儲存在磁鐵中(圖 2 紅色區塊),隨後通入電流 I 供給,並利用自旋軌道效應 (spin-orbit effect) 將存在磁鐵中的資訊以電流與電壓的形式讀出。

換句話說, MESO 能透過輸入電流(I 輸入)決定磁鐵磁性的方向以及輸出電流(I 輸出)的方向,並且能用 I 供給當作整個裝置的開關。

圖 1 :為電晶體示意圖。雖然電晶體處在截止狀態,但仍會有漏電流 (ISUB) 的情形。圖\wikipedia
圖 2 :磁鐵內部磁場與電荷的轉換模式

具體來說, MESO 的運作模式如圖 3 ,他具有兩種運作模式,當 I 輸入向 x 方向輸入時,磁鐵磁性指向 -y 方向, I 輸出向 -x 方向輸出(圖 3-A),反之亦然(圖 3-B)。裝置中,磁鐵的兩種狀態就可以當作數位電路中的 0 跟 1 。有了 0 跟 1 就可以拿來做很多事情,例如日常生活中可見的手機、電腦,都是由數位電路所構成。所以 MESO 可以替代 CMOS 成為新的積體電路製程。

圖 3 :MESO 的運作模式。圖\改編自《Scalable energy-efficient magnetoelectric spin–orbit logic

MESO 和 CMOS 的差在哪裡?

MESO 跟 CMOS 比起來好在哪呢?從上一段可以看到 MESO 的結構和 CMOS 完全不同,所以 MESO 沒有漏電流的問題,因此可以順利的將裝置縮小並減少供應電壓,將裝置縮小意味著 IC 能有更高的邏輯密度,而減少供應電壓就能減少每次開關時的能量損耗,讓我們能繼續提升運算速度,而不讓原件過熱。

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此外,相較於 CMOS ,由於使用磁鐵的磁性作為儲存訊息的媒介, MESO 具有非揮發性(關閉時仍能保持訊息),因此可從待機迅速回到運作狀態,有著巨大的優勢。

MESO 可以在沒有恆定電流的情況下維持磁性,且能在超低功率的情況下運行,相較於傳統 CMOS 消耗的能量更少,運算速度也更快。對未來的發展,如人工智慧或是你家電腦等需要大量與運算的裝置提供更高效能的晶片。

不過,MESO 仍處於研發階段,有許多關鍵材料與技術尚未開發,距離商業化仍需一段時間,但相信將來 MESO 將會延續摩爾定律,創造超越 CMOS 的新世代。

  1. Sasikanth Manipatruni, Dmitri E. Nikonov, Chia-Ching Lin, Tanay A. Gosavi, Huichu Liu,Bhagwati Prasad, Yen-Lin Huang, Everton Bonturim, Ramamoorthy Ramesh & Ian A.Young.(2019)《Scalable energy-efficient magnetoelectric spin–orbit logic》
  2. Sasikanth Manipatruni, Dmitri E. Nikonov, Chia-Ching Lin, Tanay A. Gosavi, Huichu Liu,Bhagwati Prasad, Yen-Lin Huang, Everton Bonturim, Ramamoorthy Ramesh & Ian A.Young.(2019)《Scalable energy-efficient magnetoelectric spin–orbit logic_Supplement》
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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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純淨之水的追尋—濾水技術如何改變我們的生活?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/04/17 ・3142字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文與 BRITA 合作,泛科學企劃執行。

你確定你喝的水真的乾淨嗎?

如果你回到兩百年前,試圖喝一口當時世界上最大城市的飲用水,可能會立刻放下杯子——那水的顏色帶點黃褐,氣味刺鼻,甚至還飄著肉眼可見的雜質。十九世紀倫敦泰晤士河的水,被戲稱為「流動的污水」,當時的人們雖然知道水不乾淨,但卻無力改變,導致霍亂和傷寒等疾病肆虐。

十九世紀倫敦泰晤士河的水,被戲稱為「流動的污水」(圖片來源 / freepik)

幸運的是,現代自來水處理系統已經讓我們喝不到這種「肉眼可見」的污染物,但問題可還沒徹底解決。面對 21 世紀的飲水挑戰,哪些技術真正有效?

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19 世紀的歐洲因為城市人口膨脹與工業發展,面臨了前所未有的水污染挑戰。當時多數城市的供水系統仍然依賴河流、湖泊,甚至未經處理的地下水,導致傳染病肆虐。

1854 年,英國醫生約翰·斯諾(John Snow)透過流行病學調查,發現倫敦某口公共水井與霍亂爆發直接相關,這是歷史上首次確立「飲水與疾病傳播的關聯」。這項發現徹底改變了各國政府對供水系統的態度,促使公衛政策改革,加速了濾水與消毒技術的發展。到了 20 世紀初,英國、美國等國開始在自來水中加入氯消毒,成功降低霍亂、傷寒等水媒傳染病的發生率,這一技術迅速普及,成為現代供水安全的基石。    

 19 世紀末的台灣同樣深受傳染病困擾,尤其是鼠疫肆虐。1895 年割讓給日本後,惡劣的衛生條件成為殖民政府最棘手的問題之一。1896 年,後藤新平出任民政長官,他本人曾參與東京自來水與下水道系統的規劃建設,對公共衛生系統有深厚理解。為改善台灣水源與防疫問題,他邀請了曾參與東京水道工程的英籍技師 W.K. 巴爾頓(William Kinnimond Burton) 來台,規劃現代化的供水設施。在雙方合作下,台灣陸續建立起結合過濾、消毒、儲水與送水功能的設施。到 1917 年,全台已有 16 座現代水廠,有效改善公共衛生,為台灣城市化奠定關鍵基礎。

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圖片來源/BRITA

進入 20 世紀,人們已經可以喝到看起來乾淨的水,但問題真的解決了嗎? 科學家如今發現,水裡仍然可能殘留奈米塑膠、重金屬、農藥、藥物代謝物,甚至微量的內分泌干擾物,這些看不見、嚐不出的隱形污染,正在成為21世紀的飲水挑戰。也因此,濾水技術迎來了一波科技革新,活性碳吸附、離子交換樹脂、微濾、逆滲透(RO)等技術相繼問世,各有其專長:

活性碳吸附:去除氯氣、異味與部分有機污染物

離子交換樹脂:軟化水質,去除鈣鎂離子,減少水垢

微濾技術逆滲透(RO)技術:攔截細菌與部分微生物,過濾重金屬與污染物等

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這些技術相互搭配,能夠大幅提升飲水安全,然而,無論技術如何進步,濾芯始終是濾水設備的核心。一個設計優良的濾芯,決定了水質能否真正被淨化,而現代濾水器的競爭,正是圍繞著「如何打造更高效、更耐用、更智能的濾芯」展開的。於是,最關鍵的問題就在於到底該如何確保濾芯的效能?

濾芯的壽命與更換頻率:濾水效能的關鍵時刻濾芯,雖然是濾水器中看不見的內部構件,卻是決定水質純淨度的核心。以德國濾水品牌 BRITA 為例,其濾芯技術結合椰殼活性碳和離子交換樹脂,能有效去除水中的氯、除草劑、殺蟲劑及藥物殘留等化學物質,並過濾鉛、銅等重金屬,同時軟化水質,提升口感。

然而,隨著市場需求的增長,非原廠濾芯也悄然湧現,這不僅影響濾水效果,更可能帶來健康風險。據消費者反映,同一網路賣場內便可輕易購得真假 BRITA 濾芯,顯示問題日益嚴重。為確保飲水安全,建議消費者僅在實體官方授權通路或網路官方直營旗艦店購買濾芯,避免誤用來路不明的濾芯產品讓自己的身體當過濾器。

辨識濾芯其實並不難——正品 BRITA 濾芯的紙盒下方應有「台灣碧然德」的進口商貼紙,正面則可看到 BRITA 商標,以及「4週換放芯喝」的標誌。塑膠袋外包裝上同樣印有 BRITA 商標。濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣,並且沒有拉環設計,底部則標示著創新科技過濾結構。購買時仔細留意這些細節,才能確保濾芯發揮最佳過濾效果,讓每一口水都能保證潔淨安全。

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濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣,並且沒有拉環設計 (圖片來源 / BRITA)

不過,即便是正品濾芯,其效能也非永久不變。隨著使用時間增加,濾芯的孔隙會逐漸被污染物堵塞,導致過濾效果減弱,濾水速度也可能變慢。而且,濾芯在拆封後便接觸到空氣,潮濕的環境可能會成為細菌滋生的溫床。如果長期不更換濾芯,不僅會影響過濾效能,還可能讓積累的微小污染物反過來影響水質,形成「過濾器悖論」(Filter Paradox):本應淨化水質的裝置,反而成為污染源。為此,BRITA 建議每四週更換一次濾芯,以維持穩定的濾水效果。

為了解決使用者容易忽略更換時機的問題,BRITA 推出了三大智慧提醒機制,確保濾芯不會因過期使用而影響水質:

1. Memo 或 LED 智慧濾芯指示燈:即時監測濾芯狀況,顯示剩餘效能,讓使用者掌握最佳更換時間。

2. QR Code 掃碼電子日曆提醒:掃描包裝外盒上的 QR Code 記錄濾芯的使用時間,自動提醒何時該更換,減少遺漏。

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3. LINE 官方帳號自動通知:透過 LINE 推送更換提醒,確保用戶不會因忙碌而錯過更換時機。

在濾水技術日新月異的今天,濾芯已不僅僅是過濾裝置,更是智慧監控的一部分。如何挑選最適合自己需求的濾水設備,成為了健康生活的關鍵。

人類對潔淨飲用水的追求,從未停止。19世紀,隨著城市化與工業化發展,水污染問題加劇並引發霍亂等疾病,促使濾水技術迅速發展。20世紀,氯消毒技術普及,進一步保障了水質安全。隨著科技進步,現代濾水技術透過活性碳、離子交換等技術,去除水中的污染物,讓每一口水更加潔淨與安全。

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(圖片來源 / BRITA)

今天,消費者不再單純依賴公共供水系統,而是能根據自身需求選擇適合的濾水設備。例如,BRITA 提供的「純淨全效型濾芯」與「去水垢專家濾芯」可針對不同需求,從去除餘氯、過濾重金屬到改善水質硬度等問題,去水垢專家濾芯的去水垢能力較純淨全效型濾芯提升50%,並通過 SGS 檢測,通過國家標準水質檢測「可生飲」,讓消費者能安心直飲。

然而,隨著環境污染問題的加劇,真正的挑戰在於如何減少水污染,並確保每個人都能擁有乾淨水源。科技不僅是解決問題的工具,更應該成為守護未來的承諾。濾水器不僅是家用設備,它象徵著人類與自然的對話,提醒我們水的純淨不僅是技術的勝利,更是社會的責任和對未來世代的承諾。

*符合濾(淨)水器飲用水水質檢測技術規範所列9項「金屬元素」及15項「揮發性有機物」測試
*僅限使用合格自來水源,且住宅之儲水設備至少每6-12個月標準清洗且無受汙染之虞

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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