英特爾和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員正致力于研究出顛覆當(dāng)前晶體管技術(shù)的新型存儲(chǔ)器和邏輯器件。研究人員近日在Nature發(fā)表了最新的研究成果，將相對(duì)較新的多鐵性(multiferroic material )和拓?fù)洳牧现苽涑蛇壿嫼痛鎯?chǔ)器件?；谠摲N新材料的器件的能量利用率是目前CMOS微處理器的10-100倍，邏輯運(yùn)算速度也比CMOS高出五倍。

這種稱(chēng)為MESO(magnetoelectric spin–orbit)的器件將使得單位面積的計(jì)算能力大幅增加，同時(shí)能耗也逐步降低，這一研究將繼續(xù)支撐摩爾定律在芯片領(lǐng)域的適用性。這些新設(shè)備將推動(dòng)諸如自動(dòng)駕駛汽車(chē)和無(wú)人機(jī)等智能技術(shù)的發(fā)展，幫助它們?cè)诘湍芎牡那疤嵯聦?shí)現(xiàn)強(qiáng)大的計(jì)算能力。

多鐵性和自旋軌道材料

晶體管技術(shù)發(fā)明于70年前，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于從手機(jī)，到電器，汽車(chē)和超級(jí)計(jì)算機(jī)等各個(gè)領(lǐng)域。晶體管在半導(dǎo)體內(nèi)部周?chē)苿?dòng)電子并將它們存儲(chǔ)為二進(jìn)制位0和1。但受制于物理極限和功耗的限制，目前的技術(shù)已經(jīng)不斷逼近物理極限。隨著7nm工藝的提出，人們亟待尋找出能夠繼續(xù)提高計(jì)算密度，降低功耗的新工藝、新材料。而MESO的出現(xiàn)，讓新型計(jì)算器件成為可能。

磁電和自旋軌道的MESO（magneto-electric spin-orbit）材料器件，有朝一日或可取代現(xiàn)階段廣泛使用的CMOS型半導(dǎo)體晶體管材料。MESO在多鐵材料中使用上下磁自旋來(lái)存儲(chǔ)二進(jìn)制信息并進(jìn)行邏輯運(yùn)算。

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(duì)齊以產(chǎn)生永磁體，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(gè)材料中對(duì)齊并產(chǎn)生永久電矩。MESO基于由鉍，鐵和氧（BiFeO3）組成的多鐵材料，其既是磁性的又是鐵電的。它的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于磁性和鐵電這兩種狀態(tài)是相互聯(lián)系或耦合的，因此改變其中一種會(huì)影響另一種。通過(guò)操縱電場(chǎng)，可以改變磁場(chǎng)狀態(tài)。隨著具有自旋軌道效應(yīng)的拓?fù)洳牧系目焖侔l(fā)展，可以有效地讀出多鐵性的狀態(tài)。

在MESO器件中，電場(chǎng)改變或翻轉(zhuǎn)整個(gè)材料中的偶極電場(chǎng)，將隨之改變產(chǎn)生磁場(chǎng)的電子自旋態(tài)。這種能力來(lái)自與自旋軌道耦合，材料中的量子效應(yīng)產(chǎn)生可由電子自旋方向決定的電流。研究表明，采用磁電材料鉍—鐵—氧化物（BiFeO3）的電壓控制磁開(kāi)關(guān)，這是實(shí)現(xiàn)MESO的關(guān)鍵要求。研究人員表示，在跨越CMOS時(shí)代的研究中，MESO以低壓互連和低壓磁電為基礎(chǔ)，將量子材料的創(chuàng)新帶入計(jì)算領(lǐng)域。

上圖顯示了多鐵性材料的晶體結(jié)構(gòu)：多鐵性材料的單晶由鉍 - 鐵 - 氧化物組成。藍(lán)色的鉍原子形成立方晶格，黃色的氧原子存在于面心，灰色的鐵原子存在于體心。 稍微偏離中心的鐵與氧相互作用形成電偶極子（P），其耦合到原子（M）的磁自旋，使得用電場(chǎng)（E）翻轉(zhuǎn)偶極子也會(huì)使磁矩翻轉(zhuǎn)。材料中原子的集體磁自旋對(duì)二進(jìn)制位0和1進(jìn)行編碼，并允許信息存儲(chǔ)和邏輯運(yùn)算。

在新的MESO器件中，由多鐵性的上下磁自旋狀態(tài)來(lái)表示二進(jìn)制比特，這種材料最初由本文的作者之一的加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程和物理學(xué)教授Ramamoorthy Ramesh于2001年提出。Ramesh教授表示，在這種新材料中發(fā)現(xiàn)了一種奇特的特性，可以通過(guò)施加電壓來(lái)改變多鐵性的磁序。但如何利用這種特性呢？研究人員將材料和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域面臨的問(wèn)題結(jié)合起來(lái)，利用MESO構(gòu)建起了兩個(gè)領(lǐng)域互相促進(jìn)的橋梁。通過(guò)MESO可以構(gòu)建與CMOS一樣的二進(jìn)制比特結(jié)構(gòu)，并且由于其特殊的多鐵磁性，使得控制電壓可以大幅降低。下圖顯示了MESO作為邏輯器件的工作流程。

其中，磁電效應(yīng)將輸入信息轉(zhuǎn)變?yōu)榇判?，而后又通過(guò)拓?fù)洳牧现械淖孕壍佬?yīng)將磁場(chǎng)狀態(tài)的變化轉(zhuǎn)換為電荷輸出。圖b中展示了由磁電電容器和拓?fù)洳牧蠘?gòu)成的MESO器件。其中包含了將自旋從鐵磁材料注入到拓?fù)洳牧现械淖孕⑷雽?、?dǎo)電材料構(gòu)成的連接線、并在上下連接了電源和接地。其中+x為輸入-x為輸出方向，能量從上到下注入整個(gè)器件中。在上圖中白色的箭頭代表了鐵磁材料的磁化方向，灰色箭頭代表了電流方向和能量流方向。注入的能量電流可以用于放大信號(hào)、產(chǎn)生增益并驅(qū)動(dòng)更大的輸出設(shè)備。

目前研究已將多鐵電磁電開(kāi)關(guān)所需的電壓從3伏降低到500毫伏，并預(yù)測(cè)應(yīng)該可以將其降低到100毫伏——目前使用的CMOS晶體管所需電壓的五分之一到十分之一。較低的電壓意味著更少的能耗：將位從1切換為0的總能量將是CMOS所需能量的十分之一到三十分之一。下圖可以看到這種器件的能量消耗和響應(yīng)時(shí)間。可以看到開(kāi)關(guān)能量消耗在1飛焦到0.1阿焦(10^-18)之間，而響應(yīng)時(shí)間則維持在了100ps左右。這些參數(shù)顯示了這種新型器件優(yōu)異的性能。

物聯(lián)網(wǎng)和人工智能

物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的發(fā)展迫切需要更高效的計(jì)算機(jī)。美國(guó)能源部預(yù)計(jì)，隨著計(jì)算機(jī)芯片產(chǎn)業(yè)在未來(lái)幾十年內(nèi)將擴(kuò)大到數(shù)萬(wàn)億美元，計(jì)算機(jī)能耗將從目前美國(guó)所有能源消耗量的3％猛增至20％，幾乎與今天的運(yùn)輸部門(mén)的能耗一樣多。如果沒(méi)有更節(jié)能的晶體管，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將會(huì)大大受阻。如果沒(méi)有新的科學(xué)技術(shù)，美國(guó)在制造計(jì)算機(jī)芯片方面的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)可能會(huì)被其他國(guó)家的半導(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)技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)的家庭、汽車(chē)和產(chǎn)業(yè)的制造能力將煥然一新。但使用現(xiàn)有技術(shù)能源消耗巨大，MESO的發(fā)現(xiàn)將有助于改變這一現(xiàn)狀。這種新型的器件將有助于繼續(xù)增加微器件的能量密度降低操作電壓，并持續(xù)增加邏輯電路的密度改善微小器件的電抗性能。這種新材料將開(kāi)啟超越CMOS計(jì)算器件的新時(shí)代，集合非易失性和低功耗的特性，MESO邏輯器件將有可能帶來(lái)新的計(jì)算架構(gòu)。