矽磁量子：一種更高效的晶片邏輯開關

2020-06-24 EETOP

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科學家設計出一種與矽兼容的方法，以利用量子力學「自旋」來傳達數字信息。

麻省理工學院（MIT）和美國國家標準研究院（NIST）的科學家展示了一種基於量子力學的新方法，可以傳遞數字和模擬信息。

先前的方法所涉及的元素只能在昂貴的奇異基材上構建。首先，這種新方法建立在用於製造電晶體和IC的相同矽基板上，它也可以在室溫下進行。

這兩個重要的差異意味著該方法是可行的商業化方法，潛力很大。這對於依賴於耗電且發熱的電子傳輸的現代開關（又稱數字邏輯設備）具有非常顯著的優勢。

什麼是磁量子（Magnons）

正如NIST所描述的，磁量子（Magnons）實際上是「穿過磁性材料傳播並可以攜帶信息的波。」 在這種情況下，磁性材料是駐留在相鄰原子上的電子，這些電子具有稱為「自旋」的量子力學性質。就像我們都熟悉的磁體一樣，「北」或「南」自旋是雙向的，可以在兩個可能的方向之間移動。

自旋波

如NIST文章所述，在圖的左側或右側所示的鏈上激發第一個電子會發出「自旋變化波向下傳播通過鏈」的信息。這樣會產生一個電壓，該電壓可以在每個鏈的底部讀取。

在左側，自旋的方向都指向同一方向，從而導致在底部讀取相對較高的電壓。在右側，來自YIG材料的自旋被誘導指向相反的方向，從而導致較低的電壓讀數。

較低的電壓對應於「 0」，較高的電壓對應於「 1」，從而複製了數字邏輯。正如NIST中子研究中心（NCNR）的物理學家Patrick Quarterman所說：「這是一個構建基塊，可以為新一代高效計算機技術鋪平道路。」

矽磁量子：一種更高效的晶片邏輯開關

不會浪費能源和產生多餘的熱量

當今的計算機邏輯依靠行進的電子來進行計算和傳遞結果。就能源使用而言，這是昂貴的。更糟糕的是，會產生寄生熱量，這需要佔用板空間的大量散熱器，甚至可能需要消耗更多能量的風扇。

作為這類新型開關的心臟的電子本身並未移動。只有他們的旋轉改變。這樣的好處是產生的寄生熱量會少得多。

超越數字邏輯

Magnon組件的功能不只是存儲「 On」或「 Off」，「 1」或「 0」；它們可以存儲模擬值，例如0.1、0.35或0.9。這更像一個閥門，你可以一次打開或關閉它一點。這具有重要意義。需要十個數字開關來存儲從零到1024（210）的數字。取決於最終基於磁量子的元件的分辨能力，具有比今天的設備低得多的單元數的很少的存儲器最終可能是實用的。

這有一個重要的含義。現在儲存一個從0到1024（210）的數字需要十個數字開關。而磁量子具有比今天的設備低得多的單元數既可以實現，這取決於最終基於磁子的組件的解析度能力。

為可穿戴設備和物聯網設備節約等多電能

節約用電是當今電氣工程的重要問題。其中一個原因是為了避免因浪費能源而導致的各種問題，這些問題最終以熱能的形式出現，以及處理這些問題所涉及的妥協方案。另一個原因是需要延長可穿戴設備和物聯網設備的電池壽命。

基於磁量子的柵極將有助於減少計算和信息存儲中的發熱，可以顯著的節能和減熱效果。

來源：EETOP綜合編譯自allaboutcircuits

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