歐洲開發(fā)出計(jì)算機(jī)用純磁振子集成電路，所需能量比CMOS芯片少10倍

凱澤斯勞滕工業(yè)大學(xué)（TUK）和維也納大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究人員，成功地構(gòu)造了一個(gè)基本電路，利用磁控管代替電子來(lái)傳遞信息，從而構(gòu)成了計(jì)算機(jī)電路的基本構(gòu)建塊。根據(jù)《自然電子》中描述的研究成果，“強(qiáng)磁半加法器”僅需要三根納米線，并且比最新的計(jì)算機(jī)芯片所需的能量要少得多。

物理學(xué)家正在為追求更小，更節(jié)能的計(jì)算樹立一個(gè)里程碑：他們開發(fā)了一種集成電路，使用磁性材料和磁振子來(lái)傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)，1和0構(gòu)成了當(dāng)今計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)的基礎(chǔ)。

新電路極小，采用簡(jiǎn)化的2D設(shè)計(jì)，所需能量比當(dāng)今使用CMOS技術(shù)的最先進(jìn)計(jì)算機(jī)芯片少10倍左右。雖然當(dāng)前的磁振子配置不如CMOS快，但現(xiàn)在可以進(jìn)一步探索成功的演示用于其他應(yīng)用程序，例如量子或神經(jīng)形態(tài)計(jì)算。

成功的合作

該原型起初獲得了安德里·楚馬克（Andrii Chumak）的歐洲研究委員會(huì)（ERC）啟動(dòng)資助金，并通過(guò)與TUK的助理教授（Jun-Prof）Philipp Pirro博士，以及目前在維也納大學(xué)擔(dān)任博士后的Wang Qi博士密切合作，四年努力終于結(jié)晶。 Chumak在TUK開始工作，現(xiàn)在領(lǐng)導(dǎo)維也納大學(xué)的研究小組。

Chumak說(shuō)：“我們很高興，因?yàn)槲覀冊(cè)O(shè)法完成了幾年前計(jì)劃的工作，而且效果甚至比我們預(yù)期的還要好。” 當(dāng)他第一次提出磁振電路時(shí)，他的設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。他歸功于該論文的主要作者Wang，使該設(shè)計(jì)“至少好100倍”。

Chumak說(shuō)：“我們看到磁控電路可以和CMOS一樣好，但是如果想實(shí)施產(chǎn)業(yè)化，這可能還不夠。我認(rèn)為，尺寸必須至少小100倍，而且還要快得多。但是這種電路為二進(jìn)制數(shù)據(jù)帶來(lái)了巨大的機(jī)遇，例如在非常低的溫度下進(jìn)行量子電磁學(xué)計(jì)算。”

皮羅（Pirro）補(bǔ)充說(shuō)：“我們也有興趣將其電路改造成受大腦功能啟發(fā)的神經(jīng)形態(tài)大型計(jì)算機(jī)。”

怎么運(yùn)行的？

納米電路組件的尺寸小于一微米，比人的頭發(fā)還要細(xì)，即使在顯微鏡下也幾乎看不見。它包含由磁性材料制成的三根納米線，稱為釔釔鐵石榴石。導(dǎo)線彼此之間精確地關(guān)系定位，以創(chuàng)建兩個(gè)“定向耦合器”，引導(dǎo)磁振子穿過(guò)導(dǎo)線。磁振子是自旋波的量子-看起來(lái)就像石頭扔進(jìn)池塘后，水表面的漣漪一樣，但是在這種情況下，這些波是由固態(tài)材料在量子水平上的磁序扭曲形成的。花費(fèi)大量時(shí)間和精力找出最佳的納米線長(zhǎng)度和間距，才能得到所需的結(jié)果。TUK的Wang主要從事該項(xiàng)目的研究，他說(shuō)：“這是第三或第四設(shè)計(jì)。” 

圖片描述了具有可見原子結(jié)構(gòu)的定向耦合器。自旋波從一根納米線導(dǎo)管跳到另一根納米線，此時(shí)導(dǎo)管之間的距離越來(lái)越近。來(lái)源：尼爾斯·保羅·貝特（Niels Paul Bethe）

在兩個(gè)線非常靠近的第一個(gè)耦合器中，自旋波被分成兩半。一半進(jìn)入第二個(gè)耦合器，在第二個(gè)耦合器中，它們?cè)趯?dǎo)線之間來(lái)回跳躍。根據(jù)振幅，波將離開頂線或底線，分別對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制“ 1”或“ 0”。由于該電路包含兩個(gè)將兩個(gè)信息流加在一起的定向耦合器，因此形成了“半加法器”，這是計(jì)算機(jī)芯片中最通用的組件之一。數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的這些電路可以組合起來(lái)進(jìn)行越來(lái)越復(fù)雜的計(jì)算和功能。

Pirro說(shuō)：“通常的計(jì)算機(jī)通常需要數(shù)百個(gè)組件和14個(gè)晶體管，而在這里只需要三根納米線，一個(gè)自旋波和非線性物理學(xué)。”

未來(lái)的應(yīng)用

Pirro目前正在協(xié)作研究中心“ Spin + X”框架內(nèi)，領(lǐng)導(dǎo)著TUK的自旋電子學(xué)計(jì)算方向，他現(xiàn)在將探索使用magnon電路進(jìn)行神經(jīng)形態(tài)計(jì)算，這種電路處理數(shù)據(jù)的方式不是二進(jìn)制的，而是更像人腦。自旋波更適合更復(fù)雜的系統(tǒng)，并且具有攜帶更多信息的潛力，因?yàn)樗鼈兙哂袃蓚€(gè)參數(shù)-振幅（即波高）和相位（即波角）。在當(dāng)前的演示中，該團(tuán)隊(duì)沒有使用phase作為變量，以使其易于進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)據(jù)處理。

“如果這種器件可以與CMOS競(jìng)爭(zhēng)，即使不使用基于波方法的全功率，那么我們可以確信，在某些情況下，使用自旋波的全功率方案可以比CMOS更高效”，Pirro說(shuō)。“當(dāng)然，最終目標(biāo)是將CMOS和磁性技術(shù)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起。”