新的量子材料可以使計算機超越半導體時代

英特爾公司和加州大學伯克利分校的研究人員正在研究當前的晶體管技術，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在地球上的每臺計算機上。

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，多鐵性材料和拓撲材料轉化為邏輯和存儲設備，其能耗比可預見的高10到100倍。對當前微處理器的改進，這些微處理器基于CMOS(互補金屬氧化物半導體)。

磁電旋轉軌道或MESO設備的邏輯運算速度也比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。

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

“隨著CMOS的發(fā)展，我們將基本擁有非常強大的技術選擇，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，“主要作者Sasikanth Manipatruni說道，他領導俄勒岡州Hillsboro的英特爾組件研究小組的MESO項目的硬件開發(fā)。MESO是由英特爾科學家發(fā)明的，Manipatruni設計了第一個MESO設備。

70年前發(fā)明的晶體管技術現在應用于從手機和電器到汽車和超級計算機的各個領域。晶體管在半導體內部對電子進行混洗，并將它們存儲為二進制位0和1。

在新的MESO器件中，二進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，他是加州大學伯克利分校材料科學與工程和物理學教授，也是高級作者。論文。

“發(fā)現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驗室的一名教師科學家。“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，他們已經將多鐵磁電轉換所需的電壓從3伏降低到500毫伏，并預測應該可以將其降低到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)許多關鍵技術以允許這些新型計算設備和架構，”Manipatruni說，他結合了磁電和旋轉軌道材料的功能來提出MESO。“我們正試圖引發(fā)工業(yè)界和學術界對下一個類似晶體管的選擇應該是什么樣的創(chuàng)新浪潮。”

物聯網和人工智能

迫切需要更節(jié)能的計算機。能源部預計，隨著計算機芯片產業(yè)在未來幾十年內將擴大到數萬億美元，計算機能耗將從目前所有能源消耗量的3%猛增至20%，幾乎與今天的運輸量一樣多。部門。沒有更節(jié)能的晶體管，將計算機整合到所有東西中 - 即所謂的物聯網 - 將受到阻礙。拉梅什說，如果沒有新的科學技術，在制造計算機芯片方面的領先優(yōu)勢可能會被其他的半導體制造商所取代。

“由于機器學習，人工智能和物聯網，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，他最近擔任伯克利實驗室能源技術的副主任。“如果我們使用現有技術并且不再發(fā)現，那么能耗將會很大。我們需要新的以科學為基礎的突破。“

論文的共同作者，加州大學伯克利分校博士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，五年前他們開始關注多鐵性和自旋軌道材料，具有獨特量子特性的所謂“拓撲”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。

多鐵性和旋轉軌道材料

多鐵性材料是其原子表現出多于一種“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生永磁體。另一方面，在鐵電材料中，原子的正電荷和負電荷被抵消，產生電偶極子，其在整個材料中對準并產生永久電矩。

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，它的關鍵優(yōu)勢在于這兩種狀態(tài) - 磁性和鐵電 - 是相互聯系或耦合的，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至關重要。

隨著具有自旋軌道效應的拓撲材料的快速發(fā)展，關鍵的突破得以實現，可以有效地讀出多鐵性的狀態(tài)。在MESO設備中，電場改變或翻轉整個材料中的偶極電場，其改變或翻轉產生磁場的電子自旋。這種能力來自自旋軌道耦合，這是材料中的量子效應，產生由電子自旋方向決定的電流。

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

“在超越CMOS時代，我們正在尋找革命性而非進化的計算方法，”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)新帶入計算領域。”