低溫運算革命：電子產業的未來關鍵

現代電腦晶片不僅產生大量熱能，更因此消耗驚人電力。由德國於利希研究中心趙慶泰博士主導的國際研究團隊提出突破性觀點：將運算環境轉向低溫領域，可望節省高達80%的能耗。這項研究成果已發表於《自然評論：電機工程》期刊。

這項跨國合作計畫匯集亞琛工業大學Joachim Knoch教授、瑞士洛桑聯邦理工學院、臺積電及陽明交通大學等頂尖機構。研究團隊指出，透過新型材料與智慧設計策略，傳統CMOS技術可成功適應極低溫環境運作。

國際能源總署資料顯示，資料中心用電量已達驚人規模，且隨著AI技術發展，2030年前用電需求恐將倍增。現行電腦晶片全天候運轉產生巨量廢熱，冷卻系統更消耗大量能源。但若轉換思維，或許能源效率的關鍵不在散熱，而在「擁抱低溫」？

「低溫運算」概念應運而生——在接近絕對零度的環境中，晶片不僅運算速度提升，能源效率更可大幅改善。此技術對量子電腦、太空探測器及醫學影像等需極低溫環境的應用領域尤其關鍵。

趙博士解釋：「電晶體佔電腦能耗大宗，其切換效率與溫度密切相關。」室溫下需60毫伏電壓才能產生10倍電流變化，這個「次臨界擺幅」引數會隨溫度降低而改善。理論上在絕對零度附近，僅需1毫伏即可完成相同操作。

實驗資料顯示，使用液態氮冷卻至77K(-196°C)時，整體能耗可降70%；若採用氦冷卻系統達4K，節能效果更可提升至80%。但極低溫環境也暴露室溫下被熱噪聲掩蓋的物理現象，如能帶尾效應與源極-汲極穿隧效應，這些量子現象會導致電流異常洩漏。

解決方案在於材料革新。Knoch教授強調：「需以新型材料取代現行CMOS技術的傳統材料。」研究團隊提出多項技術整合方案，可望開發出「低溫專用超級電晶體」。

臺積電研究員江宏立指出：「低溫最佳化晶片對資料中心節能效益顯著，對量子運算更具關鍵意義。」趙博士團隊更著眼於開發能整合傳統馮紐曼架構、量子與神經形態處理器的通用低溫系統，實現超低功耗運算。

全球半導體龍頭臺積電已投入相關研究，這家為蘋果、輝達等大廠代工尖端晶片的臺灣企業，正與學界共同開創電子產業的「低溫新紀元」。

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