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，將相對較新的多鐵性(multiferroic material )和拓?fù)洳牧现苽涑蛇壿嫼痛鎯ζ骷；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，邏輯運算速度也比CMOS高出五倍。

這種稱為MESO(magnetoelectric spin–orbit)的器件將使得單位面積的計算能力大幅增加，同時能耗也逐步降低，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)備將推動諸如自動駕駛汽車和無人機等智能技術(shù)的發(fā)展，幫助它們在低能耗的前提下實現(xiàn)強大的計算能力。

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，到電器，汽車和超級計算機等各個領(lǐng)域。晶體管在半導(dǎo)體內(nèi)部周圍移動電子并將它們存儲為二進制位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)提高計算密度，降低功耗的新工藝、新材料。而MESO的出現(xiàn)，讓新型計算器件成為可能。

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存儲二進制信息并進行邏輯運算。

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，其在整個材料中對齊并產(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影響另一種。通過操縱電場，可以改變磁場狀態(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，電場改變或翻轉(zhuǎn)整個材料中的偶極電場，將隨之改變產(chǎn)生磁場的電子自旋態(tài)。這種能力來自與自旋軌道耦合，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）的電壓控制磁開關(guān)，這是實現(xiàn)MESO的關(guān)鍵要求。研究人員表示，在跨越CMOS時代的研究中，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（E）翻轉(zhuǎn)偶極子也會使磁矩翻轉(zhuǎn)。材料中原子的集體磁自旋對二進制位0和1進行編碼，并允許信息存儲和邏輯運算。

在新的MESO器件中，由多鐵性的上下磁自旋狀態(tài)來表示二進制比特，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，可以通過施加電壓來改變多鐵性的磁序。但如何利用這種特性呢？研究人員將材料和計算機領(lǐng)域面臨的問題結(jié)合起來，利用MESO構(gòu)建起了兩個領(lǐng)域互相促進的橋梁。通過MESO可以構(gòu)建與CMOS一樣的二進制比特結(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)榇判裕笥滞ㄟ^拓?fù)洳牧现械淖孕壍佬?yīng)將磁場狀態(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、產(chǎn)生增益并驅(qū)動更大的輸出設(shè)備。

目前研究已將多鐵電磁電開關(guān)所需的電壓從3伏降低到500毫伏，并預(yù)測應(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)時間?？梢钥吹介_關(guān)能量消耗在1飛焦到0.1阿焦(10^-18)之間，而響應(yīng)時間則維持在了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算機。美國能源部預(yù)計，隨著計算機芯片產(chǎn)業(yè)在未來幾十年內(nèi)將擴大到數(shù)萬億美元，計算機能耗將從目前美國所有能源消耗量的3％猛增至20％，幾乎與今天的運輸部門的能耗一樣多。如果沒有更節(jié)能的晶體管，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將會大大受阻。如果沒有新的科學(xué)技術(shù)，美國在制造計算機芯片方面的領(lǐng)先優(yōu)勢可能會被其他國家的半導(dǎo)體制造商所取代。

由于機器學(xué)習(xí)，人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，未來的家庭、汽車和產(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。這種新材料將開啟超越CMOS計算器件的新時代，集合非易失性和低功耗的特性，MESO邏輯器件將有可能帶來新的計算架構(gòu)。