全球首創：在單電子尺度上同時測量半導體記憶體DRAM單元的熱與熵
NTT在全球首次成功於室溫運作的DRAM單元中，以單電子尺度測量熱量與熵，使得實驗性驗證資訊處理的最低能源消耗理論極限成為可能。
📋 文章處理履歷
- 📰 發表: 2026年4月24日 00:00
- 🔍 收集: 2026年4月23日 15:32
- 🤖 AI分析完成: 2026年4月23日 16:12（收集後40分鐘）
發表要點：
透過使用能以單個為單位檢測電子數量變化的NTT獨家奈米(*1)尺度電子設備，我們在全球首次成功於半導體記憶體設備（即DRAM單元）中，在室溫下以單個電子的尺度測量熱量與熵(*2)。
在現實條件下運行的實際設備中實驗性地驗證資訊處理中最小能源消耗的理論極限，這在過去是不可能的，現在已經可以實現。
憑藉這項成果，將能夠基於熱力學評估資訊處理電路的能源消耗，並有望應用於開發節能資訊處理設備。
NTT股份有限公司（總部：東京都千代田區，代表取締役社長：島田 明，以下簡稱「NTT」）成功在全球首次於室溫下運作的半導體記憶體元件(DRAM單元)中，同時以單個電子的單位測量了熱與熵。這項成就是使用單電子檢測技術達成的，該技術採用了NTT獨家開發、能夠以單個為單位檢測電子數量變化的奈米尺度電子設備。此外，透過這項測量，我們在實驗上驗證了資訊處理中最小能耗的理論極限。同時，我們指出除了過去常被提及的高速處理和周邊電路的影響外，保存資訊時的熱不穩定性也是導致能耗超過理論極限的重要原因。本研究開啟了從熱力學角度評估資訊處理電路能耗的道路，並有望應用於節能資訊處理設備及下一代記憶體技術的開發。本成果於2026年3月20日發表在美國學術期刊《Physical Review Letters》上。
圖1：本研究的概要圖
1．背景
隨著生成式AI的普及帶來的電力消耗增加，資訊處理的節能化已成為當務之急，各種研發工作正在進行中。另一方面，從更原理性的角度來看，近年來已經清楚地發現資訊與熱力學之間存在著深刻的關聯。例如，在資訊處理中，會進行將散亂的資訊整齊排列成特定狀態的「初始化操作」。這時，代表資訊散亂程度的熵會減少，作為代價，會產生發熱，即能源消耗。這種能源消耗的理論最小值被稱為蘭道爾極限(Landauer limit) (*3)，是考慮資訊處理節能化時的重要指標（圖2）。然而，實際的電子設備消耗的能量遠遠超過這個極限，闡明這種差異的原因已成為創造節能設備的重要課題。
圖2：蘭道爾極限的解說，以及顯示與電子設備能源消耗差異的示意圖
過去，這種差異被認為是由於高速處理或周邊電路的影響所致，但並未進行過實驗性的驗證。NTT一直致力於著眼於資訊與熱力學關係的研究（例如證實馬克士威妖(*4)的發電等），而在本研究中，我們旨在闡明電子設備中資訊處理的節能極限。具體而言，為了排除高速處理和周邊電路的影響，我們以動態隨機存取記憶體(DRAM)中構成1位元的最小單位記憶體元件——DRAM單元的電路結構（圖3）為對象，驗證在低速進行初始化操作時是否能達到蘭道爾極限。
圖3：本研究中著眼的DRAM單元電路結構
然而，這項驗證存在著技術上的挑戰。因為在逼近蘭道爾極限的極端條件下，驗證所需的熵和熱的訊號極其微小，容易被雜訊淹沒，而在室溫下運作的半導體元件中，不存在測量這些訊號的方法。
2．技術的要點
NTT透過應用使用其獨有矽奈米設備的單電子檢測技術，解決了這個課題。具體來說，我們使用透過微影加工技術製作的高性能檢測器（圖4（a, b）），成功地以單電子為單位測量了儲存在電容器中的電荷量（圖4（c）），並利用該資訊透過以下方法成功評估了熱與熵。
① 熱的測量
當電子伴隨資訊處理在導線與電容器之間移動時，會根據兩者之間的電位差產生熱（發熱或吸熱）。因此，如果知道電子移動瞬間導線和電容器的電位，就可以計算出熱量。在本研究中，透過從電荷量計算出電容器的電位，並將其與已知作為外部施加電壓的導線電位結合，使得測量熱量成為可能（圖4（d, e））。
② 熵的測量
熵是從資訊的機率分佈計算出的物理量。決定DRAM單元資訊的電容器電荷量...
透過使用能以單個為單位檢測電子數量變化的NTT獨家奈米(*1)尺度電子設備，我們在全球首次成功於半導體記憶體設備（即DRAM單元）中，在室溫下以單個電子的尺度測量熱量與熵(*2)。
在現實條件下運行的實際設備中實驗性地驗證資訊處理中最小能源消耗的理論極限，這在過去是不可能的，現在已經可以實現。
憑藉這項成果，將能夠基於熱力學評估資訊處理電路的能源消耗，並有望應用於開發節能資訊處理設備。
NTT股份有限公司（總部：東京都千代田區，代表取締役社長：島田 明，以下簡稱「NTT」）成功在全球首次於室溫下運作的半導體記憶體元件(DRAM單元)中，同時以單個電子的單位測量了熱與熵。這項成就是使用單電子檢測技術達成的，該技術採用了NTT獨家開發、能夠以單個為單位檢測電子數量變化的奈米尺度電子設備。此外，透過這項測量，我們在實驗上驗證了資訊處理中最小能耗的理論極限。同時，我們指出除了過去常被提及的高速處理和周邊電路的影響外，保存資訊時的熱不穩定性也是導致能耗超過理論極限的重要原因。本研究開啟了從熱力學角度評估資訊處理電路能耗的道路，並有望應用於節能資訊處理設備及下一代記憶體技術的開發。本成果於2026年3月20日發表在美國學術期刊《Physical Review Letters》上。
圖1：本研究的概要圖
1．背景
隨著生成式AI的普及帶來的電力消耗增加，資訊處理的節能化已成為當務之急，各種研發工作正在進行中。另一方面，從更原理性的角度來看，近年來已經清楚地發現資訊與熱力學之間存在著深刻的關聯。例如，在資訊處理中，會進行將散亂的資訊整齊排列成特定狀態的「初始化操作」。這時，代表資訊散亂程度的熵會減少，作為代價，會產生發熱，即能源消耗。這種能源消耗的理論最小值被稱為蘭道爾極限(Landauer limit) (*3)，是考慮資訊處理節能化時的重要指標（圖2）。然而，實際的電子設備消耗的能量遠遠超過這個極限，闡明這種差異的原因已成為創造節能設備的重要課題。
圖2：蘭道爾極限的解說，以及顯示與電子設備能源消耗差異的示意圖
過去，這種差異被認為是由於高速處理或周邊電路的影響所致，但並未進行過實驗性的驗證。NTT一直致力於著眼於資訊與熱力學關係的研究（例如證實馬克士威妖(*4)的發電等），而在本研究中，我們旨在闡明電子設備中資訊處理的節能極限。具體而言，為了排除高速處理和周邊電路的影響，我們以動態隨機存取記憶體(DRAM)中構成1位元的最小單位記憶體元件——DRAM單元的電路結構（圖3）為對象，驗證在低速進行初始化操作時是否能達到蘭道爾極限。
圖3：本研究中著眼的DRAM單元電路結構
然而，這項驗證存在著技術上的挑戰。因為在逼近蘭道爾極限的極端條件下，驗證所需的熵和熱的訊號極其微小，容易被雜訊淹沒，而在室溫下運作的半導體元件中，不存在測量這些訊號的方法。
2．技術的要點
NTT透過應用使用其獨有矽奈米設備的單電子檢測技術，解決了這個課題。具體來說，我們使用透過微影加工技術製作的高性能檢測器（圖4（a, b）），成功地以單電子為單位測量了儲存在電容器中的電荷量（圖4（c）），並利用該資訊透過以下方法成功評估了熱與熵。
① 熱的測量
當電子伴隨資訊處理在導線與電容器之間移動時，會根據兩者之間的電位差產生熱（發熱或吸熱）。因此，如果知道電子移動瞬間導線和電容器的電位，就可以計算出熱量。在本研究中，透過從電荷量計算出電容器的電位，並將其與已知作為外部施加電壓的導線電位結合，使得測量熱量成為可能（圖4（d, e））。
② 熵的測量
熵是從資訊的機率分佈計算出的物理量。決定DRAM單元資訊的電容器電荷量...