科学家们发现了一种非常有前途的后晶体管技术:多铁性,用磁自旋代替电子电荷来存储二进制数据
技术

来自英特尔和加州大学的研究人员,伯克利正在超越当前晶体管技术,为将来可能出现在地球上每台计算机上的新型存储器和逻辑电路做准备。

在最近发表在《自然》杂志上的一篇论文中,研究人员提出了一种将相对较新型的材料多铁和拓扑材料,将比现有微处理器可预见的改进节能10到100倍的逻辑和存储设备,这是基于互补金属氧化物半导体。

在同一空间中的逻辑运算比CMOS多5倍


磁电自旋轨道或介子器件在同一空间中的逻辑运算也将比CMOS多5倍。继续朝着每单位面积进行更多计算的趋势,摩尔定律的中心原则。

新设备将提高低能耗、高计算能力的技术,特别是高度自动化,自动驾驶汽车和无人机,这两种方法都需要不断增加的每秒计算机操作次数。

“随着CMOS技术的成熟,我们基本上会有非常强大的技术选项来帮助我们度过难关。在某些方面,这可以继续为下一代人计算改进,“主要作者Sasikanth Manipatruni说,他在希尔斯堡的英特尔组件研究小组负责Meos项目的硬件开发,俄勒冈州。介子是英特尔的科学家发明的,Manipatruni设计了第一个介子设备。

晶体管技术,70年前发明的,从手机和电器到汽车和超级计算机,如今已广泛应用于各种领域。晶体管在半导体内部移动电子,并将其存储为二进制位0和1。

在新的介子器件中,二进制位是多铁原子的上下磁自旋态,Ramamourthy Ramesh于2001年首次创造的材料,加州大学伯克利分校材料科学与工程和物理学教授,论文的高级作者。

“发现是有材料可以施加电压,改变多铁的磁序,“Ramesh说,他还是劳伦斯伯克利国家实验室的教员科学家。

“但对我来说,“我们将如何处理这些多重铁质问题?”“一直是个大问题。介子桥,它为计算的发展提供了一条道路。”“

需要降低电压


在《自然》杂志上,研究人员报告说,他们已经将多铁磁电转换所需的电压从3伏降低到500毫伏,并预测有可能将其降低到100毫伏:是目前使用的CMOS晶体管所需的五分之一到十分之一。

较低的电压意味着较低的能量消耗:从1到0切换一位的总能量将是CMOS所需能量的十分之一到三十分之一。

“需要开发一些关键技术,以允许这些新类型的计算设备和体系结构,“Manipatruni说,他结合了磁电和自旋轨道材料的功能提出了介子。

“我们正试图在工业界和学术界掀起一股创新浪潮,讨论下一个类似晶体管的选项应该是什么样子。”“

物联网与人工智能


迫切需要更节能的计算机。美国能源部计划,随着计算机芯片产业在未来几十年内有望扩大到数万亿美元,计算机的能源消耗可能从今天美国能源消耗的3%猛增到20%,几乎和今天的交通部门一样多。

如果没有更节能的晶体管,计算机与一切事物的结合——所谓的物联网——将受到阻碍。如果没有新的科学技术,Ramesh说,美国在制造计算机芯片方面的领先地位可能会被其他国家的半导体制造商抢走。

“因为机器学习,人工智能和物联网,未来的家,未来的汽车,未来的制造能力将大相径庭,“Ramesh说,直到最近,他还是伯克利实验室的能源技术副主任。

“如果我们使用现有的技术,不再有新的发现,能源消耗将会很大。我们需要新的科学突破。”“

论文合著人伊恩·杨,加州大学伯克利分校博士,八年前在英特尔成立了一个小组,连同曼尼帕图尼和德米特里·尼科诺夫,为了研究晶体管的替代品,五年前,他们开始关注多铁和自旋轨道材料,具有独特量子性质的所谓“拓扑”材料。

“我们的分析给我们带来了这种材料,磁电机,所有的路都通向拉梅什,“Manipatruni说。

多铁和自旋轨道材料


多铁性是原子呈现一种以上“集体态”的材料。在铁磁体中,例如,材料中所有铁原子的磁矩排列成一个永久磁铁。

在铁电材料中,另一方面,原子的正负电荷被抵消,产生电偶极子,在整个材料中对齐并产生永久的电力矩。

介子是基于铋的多铁材料,铁和氧(BiFeO3),既有磁性又有铁电性。它的主要优势,Ramesh说,这两种状态——磁性和铁电性——是连接或耦合的,所以改变一个影响另一个。通过控制电场,你可以改变磁场状态,这对介子是至关重要的。

随着具有自旋轨道效应的拓扑材料的迅速发展,取得了重大突破。它允许有效地读出多铁的状态。

在介子器件中,电场改变或翻转整个材料的偶极电场,它改变或翻转产生磁场的电子自旋。

这种能力来自自旋轨道耦合,材料中的量子效应,产生由电子自旋方向决定的电流。

在本月早些时候发表在《科学进展》上的另一篇论文中,加州大学伯克利分校和英特尔公司利用磁电材料氧化铋(BiFeO3)实验证明了电压控制的磁开关。介子的一个关键要求。

“我们正在寻找一种革命性的而非进化的计算方法,以超越CMOS时代,“Young说。“Meos围绕低压互连和低压磁电而构建,并将量子材料的创新带入计算领域。”“

《自然》论文的其他合著者是林嘉青,Intel的Tanay Gosavi和Huichu Liu以及Bhagwati Prasad,黄彦林和加州大学伯克利分校的埃弗顿骨业。这项工作得到了英特尔的支持。

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