新的量子材料可以使計算機(jī)超越半導(dǎo)體時代

英特爾公司和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員正在研究當(dāng)前的晶體管技術(shù)，為一種新型存儲器和邏輯電路鋪平道路，這種電路有朝一日可能會出現(xiàn)在地球上的每臺計算機(jī)上。

在“ 自然 ”雜志上發(fā)表的一篇論文中 ，研究人員提出了一種方法，將相對較新類型的材料，多鐵性材料和拓?fù)洳牧限D(zhuǎn)化為邏輯和存儲設(shè)備，其能耗比可預(yù)見的高10到100倍。對當(dāng)前微處理器的改進(jìn)，這些微處理器基于CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)。

磁電旋轉(zhuǎn)軌道或MESO設(shè)備的邏輯運(yùn)算速度也比CMOS高出五倍，延續(xù)了單位面積計算的趨勢，這是摩爾定律的核心原則。

這些新設(shè)備將推動需要強(qiáng)大計算能力和低能耗的技術(shù)，特別是高度自動化，自動駕駛的汽車和無人機(jī)，這兩者都需要每秒不斷增加的計算機(jī)操作次數(shù)。

“隨著CMOS的發(fā)展，我們將基本擁有非常強(qiáng)大的技術(shù)選擇，讓我們看到它們。在某些方面，這可以繼續(xù)為另一代人提供計算改進(jìn)，“主要作者Sasikanth Manipatruni說道，他領(lǐng)導(dǎo)俄勒岡州Hillsboro的英特爾組件研究小組的MESO項目的硬件開發(fā)。MESO是由英特爾科學(xué)家發(fā)明的，Manipatruni設(shè)計了第一個MESO設(shè)備。

70年前發(fā)明的晶體管技術(shù)現(xiàn)在應(yīng)用于從手機(jī)和電器到汽車和超級計算機(jī)的各個領(lǐng)域。晶體管在半導(dǎo)體內(nèi)部對電子進(jìn)行混洗，并將它們存儲為二進(jìn)制位0和1。

在新的MESO器件中，二進(jìn)制位是多鐵性的上下磁自旋狀態(tài)，這種材料最初由Ramamoorthy Ramesh于2001年創(chuàng)建，他是加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程和物理學(xué)教授，也是高級作者。論文。

“發(fā)現(xiàn)是有些材料可以施加電壓并改變多鐵性的磁性順序，”拉梅什說，他也是勞倫斯伯克利實(shí)驗室的一名教師科學(xué)家。“但對我來說，'我們將如何處理這些多鐵性?' 總是一個大問題。MESO填補(bǔ)了這一空白，為計算提供了一條發(fā)展道路“

在“ 自然”雜志的 論文中，研究人員報告說，他們已經(jīng)將多鐵磁電轉(zhuǎn)換所需的電壓從3伏降低到500毫伏，并預(yù)測應(yīng)該可以將其降低到100毫伏：五分之一到十分之一目前使用的CMOS晶體管需要。較低的電壓意味著較低的能量使用：將位從1切換到0的總能量將是CMOS所需能量的十分之一到三十分之一。

“需要開發(fā)許多關(guān)鍵技術(shù)以允許這些新型計算設(shè)備和架構(gòu)，”Manipatruni說，他結(jié)合了磁電和旋轉(zhuǎn)軌道材料的功能來提出MESO。“我們正試圖引發(fā)工業(yè)界和學(xué)術(shù)界對下一個類似晶體管的選擇應(yīng)該是什么樣的創(chuàng)新浪潮。”

物聯(lián)網(wǎng)和人工智能

迫切需要更節(jié)能的計算機(jī)。能源部預(yù)計，隨著計算機(jī)芯片產(chǎn)業(yè)在未來幾十年內(nèi)將擴(kuò)大到數(shù)萬億美元，計算機(jī)能耗將從目前所有能源消耗量的3%猛增至20%，幾乎與今天的運(yùn)輸量一樣多。部門。沒有更節(jié)能的晶體管，將計算機(jī)整合到所有東西中 - 即所謂的物聯(lián)網(wǎng) - 將受到阻礙。拉梅什說，如果沒有新的科學(xué)技術(shù)，在制造計算機(jī)芯片方面的領(lǐng)先優(yōu)勢可能會被其他的半導(dǎo)體制造商所取代。

“由于機(jī)器學(xué)習(xí)，人工智能和物聯(lián)網(wǎng)，未來的家庭，未來的汽車，未來的制造能力將看起來非常不同，”拉梅什說，他最近擔(dān)任伯克利實(shí)驗室能源技術(shù)的副主任。“如果我們使用現(xiàn)有技術(shù)并且不再發(fā)現(xiàn)，那么能耗將會很大。我們需要新的以科學(xué)為基礎(chǔ)的突破。“

論文的共同作者，加州大學(xué)伯克利分校博士Ian Young八年前在英特爾成立了一個小組，與Manipatruni和Dmitri Nikonov一起研究晶體管的替代品，五年前他們開始關(guān)注多鐵性和自旋軌道材料，具有獨(dú)特量子特性的所謂“拓?fù)?rdquo;材料。

“我們的分析將我們帶到了這種類型的材料，磁電和所有通往Ramesh的道路，”Manipatruni說。

多鐵性和旋轉(zhuǎn)軌道材料

多鐵性材料是其原子表現(xiàn)出多于一種“集體態(tài)”的材料。例如，在鐵磁體中，材料中所有鐵原子的磁矩對齊以產(chǎn)生永磁體。另一方面，在鐵電材料中，原子的正電荷和負(fù)電荷被抵消，產(chǎn)生電偶極子，其在整個材料中對準(zhǔn)并產(chǎn)生永久電矩。

MESO基于由鉍，鐵和氧(BiFeO 3)組成的多鐵材料，其既是磁性的又是鐵電的。拉梅什說，它的關(guān)鍵優(yōu)勢在于這兩種狀態(tài) - 磁性和鐵電 - 是相互聯(lián)系或耦合的，因此改變它們會影響另一種。通過操縱電場，您可以改變磁場狀態(tài)，這對MESO至關(guān)重要。

隨著具有自旋軌道效應(yīng)的拓?fù)洳牧系目焖侔l(fā)展，關(guān)鍵的突破得以實(shí)現(xiàn)，可以有效地讀出多鐵性的狀態(tài)。在MESO設(shè)備中，電場改變或翻轉(zhuǎn)整個材料中的偶極電場，其改變或翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生磁場的電子自旋。這種能力來自自旋軌道耦合，這是材料中的量子效應(yīng)，產(chǎn)生由電子自旋方向決定的電流。

在本月早些時候在科學(xué)進(jìn)展中出現(xiàn)的另一篇論文中，加州大學(xué)伯克利分校和英特爾實(shí)驗證明了使用磁電材料鉍 - 鐵 - 氧化物(BiFeO3)的電壓控制磁開關(guān)，這是MESO的關(guān)鍵要求。

“在超越CMOS時代，我們正在尋找革命性而非進(jìn)化的計算方法，”Young說。“MESO圍繞低壓互連和低壓磁電子制造，將量子材料的創(chuàng)新帶入計算領(lǐng)域。”