歐洲開發出計算機用純磁振子集成電路,所需能量比CMOS晶片少10倍

2020-11-25 電子工程專輯

凱澤斯勞滕工業大學（TUK）和維也納大學領導的研究人員，成功地構造了一個基本電路，利用磁控管代替電子來傳遞信息，從而構成了計算機電路的基本構建塊。根據《自然電子》中描述的研究成果，「強磁半加法器」僅需要三根納米線，並且比最新的計算機晶片所需的能量要少得多。PwUEETC-電子工程專輯

物理學家正在為追求更小，更節能的計算樹立一個裡程碑：他們開發了一種集成電路，使用磁性材料和磁振子來傳輸二進位數據，1和0構成了當今計算機和智慧型手機的基礎。PwUEETC-電子工程專輯

新電路極小，採用簡化的2D設計，所需能量比當今使用CMOS技術的最先進計算機晶片少10倍左右。雖然當前的磁振子配置不如CMOS快，但現在可以進一步探索成功的演示用於其他應用程式，例如量子或神經形態計算。PwUEETC-電子工程專輯

成功的合作

該原型起初獲得了安德裡·楚馬克（Andrii Chumak）的歐洲研究委員會（ERC）啟動資助金，並通過與TUK的助理教授（Jun-Prof）Philipp Pirro博士，以及目前在維也納大學擔任博士後的Wang Qi博士密切合作，四年努力終於結晶。 Chumak在TUK開始工作，現在領導維也納大學的研究小組。PwUEETC-電子工程專輯

Chumak說：「我們很高興，因為我們設法完成了幾年前計劃的工作，而且效果甚至比我們預期的還要好。」 當他第一次提出磁振電路時，他的設計非常複雜。他歸功於該論文的主要作者Wang，使該設計「至少好100倍」。PwUEETC-電子工程專輯

Chumak說：「我們看到磁控電路可以和CMOS一樣好，但是如果想實施產業化，這可能還不夠。我認為，尺寸必須至少小100倍，而且還要快得多。但是這種電路為二進位數據帶來了巨大的機遇，例如在非常低的溫度下進行量子電磁學計算。」PwUEETC-電子工程專輯

皮羅（Pirro）補充說：「我們也有興趣將其電路改造成受大腦功能啟發的神經形態大型計算機。」PwUEETC-電子工程專輯

怎麼運行的？

納米電路組件的尺寸小於一微米，比人的頭髮還要細，即使在顯微鏡下也幾乎看不見。它包含由磁性材料製成的三根納米線，稱為釔釔鐵石榴石。導線彼此之間精確地關係定位，以創建兩個「定向耦合器」，引導磁振子穿過導線。磁振子是自旋波的量子-看起來就像石頭扔進池塘後，水表面的漣漪一樣，但是在這種情況下，這些波是由固態材料在量子水平上的磁序扭曲形成的。花費大量時間和精力找出最佳的納米線長度和間距，才能得到所需的結果。TUK的Wang主要從事該項目的研究，他說：「這是第三或第四設計。」 PwUEETC-電子工程專輯

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圖片描述了具有可見原子結構的定向耦合器。自旋波從一根納米線導管跳到另一根納米線，此時導管之間的距離越來越近。來源：尼爾斯·保羅·貝特（Niels Paul Bethe）PwUEETC-電子工程專輯

在兩個線非常靠近的第一個耦合器中，自旋波被分成兩半。一半進入第二個耦合器，在第二個耦合器中，它們在導線之間來回跳躍。根據振幅，波將離開頂線或底線，分別對應於二進位「 1」或「 0」。由於該電路包含兩個將兩個信息流加在一起的定向耦合器，因此形成了「半加法器」，這是計算機晶片中最通用的組件之一。數以百萬計的這些電路可以組合起來進行越來越複雜的計算和功能。PwUEETC-電子工程專輯

Pirro說：「通常的計算機通常需要數百個組件和14個電晶體，而在這裡只需要三根納米線，一個自旋波和非線性物理學。」PwUEETC-電子工程專輯

未來的應用

Pirro目前正在協作研究中心「 Spin + X」框架內，領導著TUK的自旋電子學計算方向，他現在將探索使用magnon電路進行神經形態計算，這種電路處理數據的方式不是二進位的，而是更像人腦。自旋波更適合更複雜的系統，並且具有攜帶更多信息的潛力，因為它們具有兩個參數-振幅（即波高）和相位（即波角）。在當前的演示中，該團隊沒有使用phase作為變量，以使其易於進行二進位數據處理。PwUEETC-電子工程專輯

「如果這種器件可以與CMOS競爭，即使不使用基于波方法的全功率，那麼我們可以確信，在某些情況下，使用自旋波的全功率方案可以比CMOS更高效」，Pirro說。「當然，最終目標是將CMOS和磁性技術的優勢結合在一起。」PwUEETC-電子工程專輯

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