為摩爾定律續命? 自旋電子技術暫難當大任

2020-11-27 光明網

　　1965年，英特爾公司的共同創始人戈登·摩爾發布了被奉為「信息技術第一法則」的摩爾定律。該定律指出，集成電路上可容納的元器件數目每18個月約翻1倍。

　　在過去的半個多世紀裡，摩爾定律為半導體工業的發展節奏設定了基本步調。自摩爾定律提出以來，不論是從單個晶片電晶體數目角度，還是從微處理器晶片、半導體存儲器以及系統軟體角度來考察，摩爾定律的預言與現實都驚人地吻合。可晶片上電晶體的尺寸不可能無限制地縮小下去，晶片單位面積上可集成的元器件數目會達到極限。因此，唱衰摩爾定律的聲音也越來越盛，不斷有人預測出該定律失效的時間，或許是10年，或許是15年。

　　前不久，英特爾公司和加州大學伯克利分校研究人員藉助自旋電子（MESO）技術，研發出一種名為「磁電旋轉軌道」的邏輯元件，可將常見晶片元器件尺寸縮至當前的1/5，同時可降低能耗超90%。有業內人士估計，科研人員可藉助這一元件，研發出「超級晶片」，為摩爾定律「續命」。

　　那麼，自旋電子技術到底是何方神聖？它真能讓摩爾定律延續輝煌嗎？

　　用自旋作信息載體，大幅降低能耗

　　「自旋電子技術，利用電子自旋作為信息載體，通過調控與操縱自旋，實現數據存儲、邏輯運算等。」南開大學電子信息與光學工程學院副教授董紅在接受科技日報記者採訪時說。

　　電荷與自旋是電子的兩個內稟屬性。19世紀以來，人類開始調控電子的電荷屬性，發展了以半導體為基礎的微電子學，奠定了第三次產業革命的基礎。

　　0和1，是計算機記錄和存儲的底層語言。傳統電子器件依賴電荷產生這兩個數字，而自旋電子器件則依賴自旋。

　　「就像條形磁鐵的南北極一樣，自旋電子材料可藉助『上』或『下』的電子自旋將二進位數據記錄在材料中。」天津大學微電子學院副院長、博士生導師徐江濤說。

　　「傳統電子器件只是利用電子的電荷流動存儲傳輸信息。自旋電子學器件在信息處理過程中，可只利用自旋作為傳輸載體，避免電荷的流動，從而大大降低能耗。」董紅說。

　　「自旋電子器件工作時，產生的熱量很少。與常見的電子器件相比，無須耗費更多的能源給器件散熱，相對來說更省電。」徐江濤說，自旋電子器件未來有望解決現代電子計算機功耗大和散熱難這兩大難題。

　　運算速度更快，或取代傳統器件

　　按照摩爾定律設定的節奏，在過去的幾十年中，單位面積晶片上的元器件不斷「瘦身」，但其尺寸不可能無限制地縮小下去。在現有技術條件下，電晶體最小可做到3納米線寬。但目前大多數商業級別的應用，都停留在7納米。

　　「這是逼近電晶體物理極限的寬度。」董紅解釋道，因為從物理定律來看，3納米線寬幾乎就是物理極限。

　　制約摩爾定律發展的核心因素是在物理方面，隨著晶片尺寸的不斷縮小，晶片產生的熱量將會增加，對電路自身會造成危害；其次，由於晶片在生產過程中不可避免地混有雜質，而伴隨著尺寸的縮小，雜質的密度就會增大，雜質的聚集將會影響導電性能，目前晶片中雜質含量已接近所能允許的極限。

　　此外，隨著晶片尺寸的縮小，將發生電子漂移現象，電晶體會失去可靠性，可能無法控制電子的進出，從而無法製造出1和0。

　　董紅表示，新聞中英特爾公司研發的新款元件由多鐵材料製成，這使得其既具有磁性又具有鐵電性。「這種材料的優勢在於，磁性和鐵電性這兩種狀態是相互聯繫或耦合的，改變一種就會影響另一種；通過控制電場狀態，就能改變磁場狀態。這也讓其能有效避免電子漂移現象的出現，同時也提升了運算速度。」董紅說。

　　摩爾定律中提到的「元器件」，主要是指CMOS電晶體，這也是目前主流的電晶體種類。

　　「MESO的邏輯運算速度比CMOS高5倍，這意味著，集成電路上單位面積電晶體計算能力還具備提升的潛力，摩爾定律還能夠延續。」董紅說，隨著自旋電子技術的進步，用MESO技術製造出的電晶體未來或許能取代目前廣泛使用的CMOS電晶體。運行速度更快、功耗更小的「超級晶片」有望為摩爾定律「加血續命」。

　　「萬物互聯時代，數據呈幾何級增長，處理數據的能力和速度也應『水漲船高』，因此需要性能更強、耗能更低的晶片。」徐江濤認為，目前在無人駕駛、智慧醫療等新興領域，計算效率已成為亟待突破的關口。

　　「現有的半導體製造技術已不足以滿足未來發展的需求，因此必須尋找新的替代技術，自旋電子就是『後備軍』之一。」徐江濤說。

　　尚處起步階段，應用仍需時日

　　既環保又高效，自旋電子器件優點多多。如此看來，傳統電晶體技術未來必將被這支「後備軍」所取代。

　　然而，事情沒有那麼簡單。

　　董紅表示，截至目前，晶片廠商仍在固守舊路，努力研製接近線寬極值3納米的電晶體，而鮮有考慮從其他路徑進行顛覆性創新。

　　「其中一個重要的原因是，半導體產業不是一錘子買賣，不存在一個技術能包治百病、解決所有問題。」董紅表示，「晶片廠商們更加希望有可持續多年的路線圖，如同摩爾定律一樣，引導產業持續獲利。」

　　正因如此，英特爾公司在評估了25個不同的技術路線後，判斷MESO在長期內具有持續迭代的可能，才最終確定了這種新型方案。

　　廠商們想要的是低投入、高產出，誰也不願用真金白銀去試錯。「半導體晶片是一個需要高投入、規模效應的產業，投資周期長、風險大，大多數人不願冒險。」董紅說。

　　「目前，自旋電子技術尚處在起步階段，離產業應用至少還有15年的時間。」董紅說，「開發自旋電子器件，仍有幾個技術瓶頸亟待突破。比如，在自旋電子材料中，生成和檢測極度微小的電子自旋信號就是主要障礙之一。」

　　徐江濤也認為，由於涉及到器件設計、製備、優化等一系列、全行業的改變，MESO這種新型的構架走出實驗室，走向大規模應用還需時日。

　　「若『超級晶片』得到應用，將極大地降低計算功耗。但不排除在等待它降臨的期間，會出現更優的技術路線，或更有利於晶片產業革新的技術方案。」徐江濤說，「不管採用哪種技術方案，毫無疑問，這將是一場技術革命，對晶片產業和計算機產業來說都將起到極大的推動作用。」（記者 孫玉松）

[責編：武玥彤]

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