新的量子材料可以使计算设备超越半导体时代

英特尔公司和加州大学伯克利分校的研究人员正在研究当前的晶体管技术，并为有朝一日可能在地球上每台计算机上的新型存储器和逻辑电路铺平道路。

在12月3日在“ 自然 ”杂志上发表的一篇论文中，研究人员提出了一种方法，将相对较新类型的材料，多铁性材料和拓扑材料转化为逻辑和存储器件，其能量将增加10到100倍 -对于基于CMOS(互补金属氧化物半导体)的当前微处理器的可预见的改进是有效的。

磁电旋转轨道或MESO设备的逻辑运算速度也比CMOS高出五倍，延续了单位面积更多计算的趋势，这是摩尔定律的核心原则。

这些新设备将推动需要强大计算能力和低能耗的技术，特别是高度自动化，自动驾驶的汽车和无人机，这两者都需要每秒不断增加的计算机操作次数。

“随着CMOS发展成熟，我们将基本上拥有非常强大的技术选项，可以让我们看到。在某些方面，这可以继续为另一代人提供计算改进，”主要作者Sasikanth Manipatruni说道，他负责硬件开发。位于俄勒冈州希尔斯伯勒的英特尔组件研究部门的MESO项目。MESO是由英特尔科学家发明的，Manipatruni设计了第一个MESO设备。

70年前发明的晶体管技术现在应用于从手机和电器到汽车和超级计算机的各个领域。晶体管在半导体内部对电子进行混洗，并将它们存储为二进制位0和1。

在新的MESO器件中，二进制位是多铁性的上下磁自旋状态，这种材料最初由Ramamoorthy Ramesh于2001年创建，他是加州大学伯克利分校材料科学与工程和物理学教授，也是高级作者。论文。

“发现是有些材料可以施加电压并改变多铁性的磁性顺序，”拉梅什说，他也是劳伦斯伯克利国家实验室的一名教师科学家。“但对我来说，'我们将如何处理这些多铁性?' 总是一个很大的问题.MESO填补了这一空白，为计算提供了一条发展道路“

在“ 自然”杂志的论文中，研究人员报告说，他们已经将多铁磁电转换所需的电压从3伏降低到500毫伏，并预测应该可以将其降低到100毫伏：五分之一到十分之一目前使用的CMOS晶体管需要。较低的电压意味着较低的能量使用：将位从1切换为0的总能量将是CMOS所需能量的十分之一到三十分之一。

“需要开发许多关键技术以允许这些新型计算设备和架构，”Manipatruni说，他结合了磁电和旋转轨道材料的功能来提出MESO。“我们正试图引发工业界和学术界的创新浪潮，看看下一个类似晶体管的选择应该是什么样的。”

物联网和人工智能

迫切需要更节能的计算机。美国能源部预计，随着计算机芯片产业在未来几十年内将扩大到数万亿美元，计算机能耗将从目前美国所有能源消耗量的3%猛增至20%，几乎与今天的运输量一样多。部门。没有更节能的晶体管，将计算机整合到所有东西中 - 即所谓的物联网 - 将受到阻碍。拉梅什说，如果没有新的科学技术，美国在制造计算机芯片方面的领先优势可能会被其他国家的半导体制造商所取代。

“由于机器学习，人工智能和物联网，未来的家庭，未来的汽车，未来的制造能力将看起来非常不同，”拉梅什说，他最近担任伯克利实验室能源技术的副主任。“如果我们使用现有技术并且不再发现，那么能源消耗就会很大。我们需要新的科学突破。”

论文的共同作者，加州大学伯克利分校博士Ian Young八年前在英特尔成立了一个团队，与Manipatruni和Dmitri Nikonov一起研究晶体管的替代品，五年前他们开始关注多铁性和自旋轨道材料，具有独特量子特性的所谓“拓扑”材料。

“我们的分析将我们带到了这种类型的材料，磁电和所有通往Ramesh的道路，”Manipatruni说。

多铁性和旋转轨道材料

多铁性材料是其原子表现出不止一种“集体状态”的材料。例如，在铁磁体中，材料中所有铁原子的磁矩对齐以产生永磁体。另一方面，在铁电材料中，原子的正电荷和负电荷被抵消，产生电偶极子，其在整个材料中对准并产生永久电矩。

MESO基于由铋，铁和氧(BiFeO 3)组成的多铁材料，其既是磁性的又是铁电的。拉梅什说，它的关键优势在于这两种状态 - 磁性和铁电 - 是相互联系或耦合的，因此改变它们会影响另一种。通过操纵电场，您可以改变磁场状态，这对MESO至关重要。

随着具有自旋轨道效应的拓扑材料的快速发展，关键的突破得以实现，可以有效地读出多铁性的状态。在MESO设备中，电场改变或翻转整个材料中的偶极电场，其改变或翻转产生磁场的电子自旋。这种能力来自自旋轨道耦合，这是材料中的量子效应，产生由电子自旋方向决定的电流。

在本月早些时候在科学进展中出现的另一篇论文中，加州大学伯克利分校和英特尔实验性地展示了使用磁电材料铋 - 铁 - 氧化物(BiFeO3)的电压控制磁开关，这是MESO的关键要求。

“在超越CMOS时代，我们正在寻找革命性而非进化的计算方法，”Young说。“MESO围绕低压互连和低压磁电子制造，将量子材料的创新带入计算领域。”