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新型量子材料有何“武艺”

2018-12-05 18:57 来源:未知

新型量子材料有何“武艺”

铋原子(蓝色)形成了一个立方晶格,立方体的每个侧面附着了氧原子(黄色),铁原子(灰色)在靠近立方体中心的位置。

近年来,工业界和学术界的科学家们一直在寻找能超越和替代目前被广泛应用的半导体晶体管的新材料。据《自然》杂志网络版12月3日刊发的一篇研究论文称,英特尔公司(Intel Corp.)和美国加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的科学家们发现了一种前景广阔的晶体管替代技术——多铁性材料,这种材料利用的是磁性自旋态而不是电子电荷来存储二进制数据。他们已经证明,这些MESO(磁电自旋轨道)器件可以大大提高设备的能源利用效率,并能将数量更多的逻辑器件封装到芯片中。这一成果将为打造新一代存储器和逻辑电路铺平道路,有朝一日此类新设备将可能是地球上的每一台计算机所必备的组件。

在该论文中,研究人员提出了一种可以将相对新型的材料——多铁性材料和拓扑材料——转化为计算机的逻辑器件和内存器件的手段,这类新设备将比目前基于互补金属氧化物半导体(CMOS)的微处理器在未来可预见的升级版本的节能性还要强10至100倍。这些MESO器件在同一容量空间内的逻辑运算量也将是CMOS器件的5倍之多。根据摩尔定律的核心原则之一,这些设备未来还将朝着单位面积运算量逐渐增多的方向继续发展迭代。

另外,这些新型设备还将推动那些既需要强大计算能力、又要求低能耗的技术的发展,尤其是在研发高度自动化的自动驾驶汽车和无人机等方面——这两种技术都要求设备能够在每秒钟内完成越来越多的运算量。

英特尔MESO项目的硬件研发总监、该研究论文的第一作者Sasikanth Manipatruni介绍道:“随着CMOS技术发展至成熟阶段,我们基本上将拥有非常强大的技术选项来帮助我们度过难关。从某种程度上说,这可能会促使未来计算机运算能力的持续进步,从而为下一代的全人类带来福音。”MESO是英特尔旗下若干科学家集体智慧的结晶,其中Manipatruni是第一台MESO设备的设计师。

根据这篇论文的阐述,研究人员已经将多铁性磁电开关所需的电压从3伏特降至500毫伏,并预计有望将其降至100毫伏,而这是目前使用的CMOS晶体管所需电压的五分之一至十分之一。较低的电压意味着较低的耗能量——在二进制中将1位调整为0位的总耗能量将是CMOS完成同样操作所需能量的十分之一至三十分之一。Manipatruni通过把磁电器件和自旋轨道材料的功能相结合,从而开启了MESO项目的大门。他解释道:“如果要运行这些新型运算设备和架构,则需要开发一些关键性的技术。我们正试图在工业界和学术界掀起一波创新浪潮,以便描摹出下一代类似晶体管的新技术选项应该是什么样子。”

据《科学进展》杂志本月早些时候刊发的另一篇研究论文称,加州大学伯克利分校和英特尔的研究人员利用MESO的核心材料——磁电材料铁酸铋(BiFeO3)——完成了通过调整电压来控制磁性开关的实验。这两篇论文的共同作者、加州大学伯克利分校的博士Ian Young展望道:“在力图跨越CMOS的时代,我们正在追求的运算手段须是革命性的,而非渐进式的。MESO是围绕低压互连器件和低压磁电器件而打造的,它借此将量子材料的创新融入了计算机的运算手段。”

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