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交大找到低功耗節能電子元件 未來讓我們跟行動電源說掰掰~

活躍星系核_96
・2014/10/24 ・1401字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 624 ・十年級
交通大學電子工程系荊鳳德教授找出超低功耗快速上升電晶體及單電晶體動態隨機存取記憶體,將減低未來的積體電路功率達10倍之多,實現行動裝置10天充一次電的期望。照片來源:交通大學
交通大學電子工程系荊鳳德教授。照片來源:交通大學

電子元件尺寸將在六年內微縮至量子力學的極限,改善元件功率消耗達到節能效果成為未來發展趨勢。交通大學電子工程系荊鳳德教授團隊找出超低功耗快速上升電晶體及單電晶體動態隨機存取記憶體,將減低未來的積體電路功率達10倍之多,實現行動裝置10天充一次電的期望。研究成果刊登為IEEE Newsletter通訊封面故事,更受邀發表技術簡介「節能電子元件的趨勢」於2014年的IEEE通訊。

依國際技術藍圖所示,新型「鰭狀電晶體」的微縮在2016年7奈米時即遇到技術瓶頸,因電晶體的電性通道長度只有3~4 奈米,造成電子的直接量子穿隧以及無法容忍的漏電流,因此必須發明出超越鰭狀電晶體的電晶體。然電晶體從Bardeen, Shockley & Brattain於1948年發明以來,任何大幅的改良如高介電係數電晶體及鰭式電晶體,均十分困難且重要,這也是IBM近日宣布投入30億美元於7奈米技術的原因。

動態隨機存取記憶體(DRAM)於2015年也會遇到技術瓶頸。DRAM是由一電晶體與一電容組合而成,相較電晶體,電容的漏電流導致額外的功率消耗,因而消耗了系統晶片大量的功率。雖然有介電值高達100以上的鈦酸鍶等材料,然其需使用較厚的介電層減低漏電流,無法填入愈來愈小的DRAM中,只好轉為增加電容的高度方式來製作DRAM。目前DRAM電容的高/寬比已接近製程極限,須研發出新的結構設計。

目前減低電晶體漏電流的方法是降低電壓,然而低電壓電流輸出亦隨之減少,造成積體電路的速度減慢。荊鳳德教授的研究團隊利用鍺電晶體,以鍺取代傳統矽作為傳導材料,擁有較矽電晶體遷移率高2.6倍之重大優勢。鍺電晶體可使未來的電晶體工作電壓從目前的0.7伏降低至0.35伏,功率改善及節能減碳達4倍之多;較Intel的砷化銦鎵電晶體更低漏電流、較少光罩數,但獲得更簡化的製程以及低成本、高良率。

雖然使用高速材料的鍺電晶體可降低驅動電壓、功率及漏電流,仍無法達到張忠謀董事長於2014年台灣半導體協會喊出的「10倍功率降低」目標,因電壓降低的極限為電晶體開啟時的電流/電壓上升速率。為了解決此問題,普渡大學博士生Salahuddin(現加入UC Berkeley胡正明院士團隊)及 Datta教授提出新物理機制「負電容電晶體」;此系列理論與模擬論文已發表,卻由荊鳳德教授研究團隊完成第一個成功的電晶體,使用高介電係數氧化鉿鋯的「鐵電效應」,形成等效負電容,達到電晶體開啟時電流與電壓皆快速上升,速率遠快於目前的電晶體。此突破將減低未來的積體電路功率達10倍之多,達到節能行動裝置可10天充一次電的目標,進而改善人類的生活方式。

此鐵電效應亦可形成記憶功能。研究團隊發表的氧化鉿鋯電晶體DRAM為單一電晶體結構,與目前電晶體完全相容,可與電晶體微縮至7奈米,而速度快上目前DRAM千倍,相較IBM2014發表結合運算記憶功能的記憶體處理器─神經元類人腦,更簡單且更先進。

這項重大突破未來將對超低功耗的積體電路技術及節能減碳帶來革命性的影響,荊鳳德教授也邀請IBM資深經理、東芝首席研究員、UCLA、UC Berkeley教授組成IEEE電子材料技術委員會,共同推動此創新超低耗能電子元件。

文章來源:交通大學新聞稿

進階閱讀

  1. Albert Chin, “Green Electronic Devices—Recent Trends,” IEEE Electron Device Society Newsletter- TECHNICAL BRIEFS, vol. 21, no. 3, pp. 1, 3~4, July 2014.
  2. C. H. Cheng and Albert Chin, “Low-Voltage Steep Turn-on p-MOSFET Using Ferroelectric High-κ Gate Dielectric,” IEEE Electron Device Lett., vol. 35, pp. 274-276, Feb. 2014.
  3. C. H. Cheng and Albert Chin, “Low-Leakage-Current DRAM-like Memory Using a One-Transistor Ferroelectric MOSFET with a Hf-based Gate Dielectric,” IEEE Electron Device Lett., vol. 35, pp. 138-140, Jan. 2014.

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Paxlovid能有效降低死亡風險嗎?COVID-19口服藥現況

台灣科技媒體中心_96
・2022/05/17 ・2421字 ・閱讀時間約 5 分鐘
示意圖/envato elements

今年四月台灣宣布將走向「重症清零,輕症管控」:非放任病毒肆虐式「與病毒共存」(living with covid-19) 的控管疫情策略。 若需要達到「重症清零,輕症管控」的目標,醫療人員的支援與 COVID-19 藥物的使用,將是關鍵手段,對於感染後容易導致重症的個案,也需要有抗病毒藥物來治療或預防惡化

目前有哪些治療新冠肺癌的藥物?

目前首度獲得美國 FDA 許可的抗新冠藥物「Remdesivir」 (瑞德西韋),是透過抑制病毒的 RNA 合成酶達到藥效。美國 FDA 更在近期批准,注射液劑型的 Remdesivir 適用於「出生 28 天及以上、至少 3 公斤」的嬰幼兒染疫患者,成為首款嬰幼兒的新冠療法

然而注射液劑型需要專業的打針技術,並非一般民眾可居家自行使用,因此抗新冠口服藥物的開發,各國一直都很重視。現行已通過美國 FDA 緊急使用授權(EUA)的抗新冠口服藥物,有輝瑞公司研發的「Paxlovid」,以及默克(或稱默沙東)公司研發的「Molnupiravir」(莫納皮拉韋)

而 Paxlovid 是由 Nirmatrelvir(奈瑪特韋)和 Ritonavir(利托那韋)兩種藥物所搭配使用,其中 Nirmatrelvir 主要作用是抑制新冠病毒的 Mpro 蛋白酶活性,進而干擾病毒的複製,達到抗病毒的效果。而 Ritonavir 則是能延長 Nirmatrelvir 在人體內的血中濃度,透過抑制人體內正常酵素 CYP3A4 酵素活性,避免 CYP3A4 快速將 Nirmatrelvir 代謝掉,而失去 Nirmatrelvir 該有的藥效。

這兩個藥物所構成的 Paxlovid 好像一對好夥伴互相協助,成為具有高效力的口服抗新冠藥物

Paxlovid 能有效降低死亡風險?

Paxlovid。圖/ Kches16414 , CC BY-SA 4.0

根據文獻指出,Paxlovid 能降低 COVID-19 感染後的 85-89% 住院或死亡風險,是目前對抗新冠肺炎最佳的選項之一。《新英格蘭醫學期刊》(NEJM)期刊於上個月發表最新 Paxlovid 臨床試驗的研究報告:「Oral Nirmatrelvir for High-Risk, Nonhospitalized Adults with Covid-19」證實,使用 Paxlovid 治療未施打疫苗且有症狀的 Covid-19 患者,能將 Covid-19 的重症風險降低 89%,且藥物的安全性在臨床上可接受,且沒有明顯的安全問題。

不過,此研究個案限於未施打疫苗者,而目前大多數人已經接種過新冠肺炎疫苗,情況略有不同。已有將此藥使用於已施打過疫苗者的研究正進行中,但若在未施打者有幫助,對於施打過疫苗而可能具有部分保護力的人,推測仍應會有治療效果,此研究是在症狀出現三天內給藥得到良好的效果,至於再晚一些時後才給藥,就沒有數據可參考。

但需要注意的是,有在服用其他藥物的患者(如:降血脂、抗腫瘤藥或神經精神藥物等),若服用 Paxlovid 會影響 CYP3A4 的作用,可能也會改變其他藥物的作用效果,若藥物在血中濃度無法被安全控制,往往對病情有負面的影響。因此服用 Paxlovid 需要有專業醫師的評估並開立處方簽才能使用,民眾無法自由服用

Paxlovid 需要有專業醫師的評估並開立處方簽。圖/envato elements

Molnupiravir 口服藥的表現又是如何?

病毒在複製的過程當中,往往需要大量的核糖核苷(ribonucleoside),作為合成新的病毒所需要的材料。而 Molnupiravir 口服藥,是一種「核糖核苷類似物」,也就是病毒在複製所需要的「冒牌」材料,透過這樣的方式干擾病毒的複製過程,進而阻止病毒的繁殖

Molnupiravir 不會像 Paxlovid 去影響到其他藥物在體內的作用,然而這些核糖核苷類似物在人體細胞進行複製的時候也會使用,所以可能具有誘導基因突變的風險

雖然一般來說,口服 Molnupiravir 的療程只有 5 天,在這樣的時間周期來說,對一般成人造成基因突變的風險是很低。但是,Molnupiravir 對於胎兒或哺乳中的嬰兒,風險就顯得高出許多。所以,Molnupiravir 在默克公司的官方網站有聲明,不建議孕婦及哺乳中的女性服用

此外,根據新英格蘭醫學期刊在今年三月的報告中,發現將 Molnupiravir 用於非住院的新冠患者治療中,僅僅將高危新冠患者的住院和死亡風險降低了 30%,低於早前估計的 50%。

Molnupiravir 不建議孕婦及哺乳中的女性服用。圖/envato elements

「老藥新用」的開發策略

環顧目前的抗新冠藥物,大都是利用「老藥新用」(drug repurposing)的藥物開發策略,才能在這麼短的時間達到如此的成就。「老藥」是指已被核准做為臨床使用的藥物,「新用」則是指由原來已核准的藥物中發現新的適應症用途或是新的用法。

老藥的好處就是其藥物臨床前的數據都已經被建立,其中包含藥理實驗、藥物動力學、代謝途徑、副作用等,這些數據對藥物開發相當重要。

在目前這些新冠藥物中,瑞德西韋一開始是用來開發對抗伊波拉病毒,而 Paxlovid 中的 Nirmatrelvir 原先用以治療愛滋病,此外 Molnupiravir 則是為了治療流感。這樣的成功經驗相信能提供政府與學者參考,期望台灣開發新冠藥物有亮眼的成績,也讓我們未來在對抗 COVID-19 疫情當中有更好的手段。

引用文獻

  1. Hammond, Jennifer, et al. “Oral nirmatrelvir for high-risk, nonhospitalized adults with COVID-19.” New England Journal of Medicine 386.15 (2022): 1397-1408.
  2. Coronavirus (COVID-19) Update: FDA Approves First COVID-19 Treatment for Young Children
  3. Coronavirus (COVID-19) Update: FDA Authorizes First Oral Antiviral for Treatment of COVID-19
  4.  Coronavirus (COVID-19) Update: FDA Authorizes Additional Oral Antiviral for Treatment of COVID-19 in Certain Adults
  5. Hammond, Jennifer, et al. “Oral nirmatrelvir for high-risk, nonhospitalized adults with COVID-19.” New England Journal of Medicine 386.15 (2022): 1397-1408.
  6. Cox, Robert M., Josef D. Wolf, and Richard K. Plemper. “Therapeutically administered ribonucleoside analogue MK-4482/EIDD-2801 blocks SARS-CoV-2 transmission in ferrets.” Nature microbiology 6.1 (2021): 11-18.
  7. Jayk Bernal, Angélica, et al. “Molnupiravir for oral treatment of Covid-19 in nonhospitalized patients.” New England Journal of Medicine 386.6 (2022): 509-520.

臨床試驗

  • EPIC-HR: Study of Oral PF-07321332/Ritonavir Compared With Placebo in Nonhospitalized High Risk Adults With COVID-19(NCT04960202

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