導讀
近日，美國英特爾公司與加州大學伯克利分校的研究人員們在自旋電子學領域取得進展，正在設法超越現有晶體管技術，併為未來新型內存與邏輯電路預備道路。未來，這些新型內存與邏輯電路有望用於這個星球上的每一臺計算機。
背景
1947年，美國貝爾實驗室正式成功演示了第一個基於鍺半導體的具有放大功能的點接觸式晶體管，標誌著現代半導體產業的誕生與信息時代的開始。晶體管被譽為20世紀最重要的發明之一。
什麼是晶體管？
晶體管，是一種固態半導體器件，具有檢波、整流、放大、開關、穩壓、信號調製等多種功能，通常用作放大器與電控開關。我們日常生活中使用的各種電子產品，例如手機、家電、汽車、超級計算機等，都離不開晶體管。
集成電路技術出現之後，數量龐大的晶體管能夠被封裝到一片指甲蓋大小的芯片之中。這種晶體管由源極、漏極以及位於它們之間的柵極所組成，電流從源極流入漏極，柵極則起到控制電流開關的作用。通俗地說，晶體管能夠在半導體內移動電子，並將它們存儲為“二進制比特”：0和1。
半導體行業中著名的“摩爾定律”曾指出：當價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。
過去幾十年來，半導體行業發展的實踐證明：摩爾定律是準確且穩定的。然而，隨著半導體技術不斷進步，晶體管尺寸在不斷縮小，芯片製程在不斷改進，從28納米到22納米、16納米、14納米，再到如今最先進的7納米、5納米。因此，單顆芯片上可容納的晶體管數目不斷增多，如今最先進的芯片上可容納的晶體管數目已達幾十億，甚至上百億。
不幸的是，近些年來，芯片上的晶體管尺寸縮小與數量增加的速度正在放緩，技術上遭遇到了瓶頸。換句話說，摩爾定律正面臨失效。
這種情況為什麼會出現？
簡單說，5納米堪稱晶體管的物理極限，一旦低於5納米，電子的行為將受到量子不確定性的限制，晶體管中的電子很容易產生隧穿效應，晶體管將變得不再可靠，芯片的製造會面臨巨大挑戰。
在所謂的“後摩爾時代”，世界各國的科學家們都在積極探索與開發各式各樣的新技術、新工藝、新材料。之前，筆者在多篇文章中都介紹過相關的科研案例。其中，有一個領域潛力非常巨大，也頗受關注，它就是“自旋電子學(Spintronics)”。
什麼是自旋電子學？
自旋電子學，也稱磁電子學，是一門新興的學科與技術。它利用了電子的自旋和磁矩，使固體器件中除電荷輸運外，還加入電子的自旋和磁矩。
眾所周知，電子有兩個非常重要的屬性：電荷與自旋。現代微電子技術往往都是利用電子的電荷屬性，卻忽視了電子的自旋屬性。
電子攜帶電荷，電荷定向移動形成電流。傳統的電子計算機，一般都是通過電子器件和導線之間的電流，傳輸與處理數據信息。然而，電流遇到電阻會產生熱量，而熱量會影響電子器件的性能。
然而，自旋電子器件依賴於電子的另外一個特性：自旋。自旋電子材料可以通過“向上”或者“向下”的電子自旋方向（就像條形磁鐵的南北極一樣）將二進制數據記錄於材料中。
因此，自旋電子器件有望解決現代電子計算機所面臨的兩大主要問題：“耗電多”和“發熱多”。相比於傳統的電子器件，自旋電子器件耗電更少，發熱也更少。自旋電子計算機在內存中保持數據所需的能量幾乎為零，它也可以瞬間啟動，將比現今的計算機強大許多倍。
自旋電子學為我們帶來許多新應用，例如：硬盤磁頭、磁性隨機內存、自旋場發射晶體管、自旋發光二極管等等。自旋電子器件與傳統微電子器件相比，優勢在於存儲密度高、能耗低、響應快等。
荷蘭格羅寧根大學開發的基於磁振子的自旋晶體管（圖片來源：L. Cornelissen）
美國德克薩斯大學達拉斯分校開發的全碳自旋邏輯器件（圖片來源：參考資料【3】）
創新
近日，美國英特爾公司與加州大學伯克利分校的研究人員們在自旋電子學領域取得進展，正在設法超越現有晶體管技術，併為未來新型內存與邏輯電路預備道路。未來，這些新型內存與邏輯電路有望用於這個星球上的每一臺計算機。
12月3日，在一篇在線發表於《自然（Nature）》期刊的論文中，研究人員們提出了一種將新型材料（多鐵性材料與拓撲材料）轉化為邏輯與存儲器件的方法。這些邏輯與存儲器件的能量效率，是現有微處理器“可預見提升”的10倍至100倍。現有的微處理器大多基於 CMOS（互補金屬氧化物半導體）技術。
與 CMOS 技術相比，“磁電自旋軌道”（magneto-electric spin-orbit），或簡稱“MESO”器件，在同樣的空間中，可進行五倍以上的邏輯運算，並且延續了朝著“單位面積更多計算”發展的趨勢，這也是摩爾定律的核心原則。
MESO器件示意圖（圖片來源：英特爾）
在新型 MESO 器件中，多鐵性材料中的“向上"與"向下”的磁自旋狀態可代表二進制比特信息，也可用於邏輯運算。2001年，加州大學伯克利分校材料科學與工程系以及物理系教授、這篇論文高級作者之一的 Ramamoorthy Ramesh 率先創造出了多鐵性材料。Ramesh 也是美國勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家。
更早些時候發表在《科學進展（Science Advances）》期刊上的另一篇論文中，加州大學伯克利分校與英特爾的科研人員採用磁電材料鉍鐵氧化物（BiFeO3），實驗性地演示了電壓控制的磁開關，這也是 MESO 的關鍵需求。
MESO 由英特爾的科學家們發明，而位於美國俄勒岡州希爾斯伯勒的英特爾元器件研究小組 MESO 項目硬件開發領頭人、論文領導作者 Sasikanth Manipatruni 設計出了首個 MESO 器件。Manipatruni 將磁電材料與自旋軌道材料的功能結合起來提出了 MESO。
八年前，論文合著者之一、加州大學伯克利分校博士生 Ian Young 與 Manipatruni 以及 Dmitri Nikonov 一起在英特爾成立了一個小組，研究晶體管的替代方案。五年前，他們開始專注於多鐵性材料與自旋軌道材料，它們也被稱為具有獨特量子特性的“拓撲”材料。
技術
多鐵性材料，是指材料中的原子展示出一種以上的“聚集狀態”，是一種集電與磁性能於一身的多功能材料。例如，在鐵磁體中，材料中所有鐵原子的磁矩都是對齊的，從而產生永磁體。在鐵電材料中，從另外一方面說，原子的正電荷與負電荷是相互抵消的，從而創造出電偶極子，電偶極子在材料中對齊，創造出永久的電偶極矩。
為了讓大家更好地理解多鐵性材料，先來回顧過去介紹過的一個科研案例，即美國康奈爾大學開發的一種新型“磁電多鐵性”材料。為了研發這種新材料，研究人員開始使用了原子級精準的六邊形鑥鐵氧化物（LuFeO3）薄膜。這種鑥鐵氧化物薄膜具有健壯的鐵電性，可惜卻沒有強烈的磁性。鑥鐵氧化物由氧化鑥和氧化鐵交替構成。研究人員採用了“分子束外延”技術，為每10個原子額外增加了一層氧化鐵，重複“單到單”（single-single）的單層模式。
每十個原子額外插入一層鐵原子以改變磁性。鑥原子鋸齒狀外表是由原子褶皺引起的。（圖片來源：康奈爾大學）
然而，MESO 的基礎也是一種多鐵性材料，即由鉍、鐵、氧組成的鉍鐵氧化物（BiFeO3）。它不但具有磁性，還具有鐵電性。Ramesh 表示，這種材料的關鍵優點在於：這兩種狀態（磁性與鐵電性）是關聯的，或者說是耦合的。因此，改變一個狀態將影響另一個狀態。通過操控電場，你可以改變磁狀態，這對於 MESO 來說至關重要。
鉍鐵氧化物多鐵性材料的單晶體結構。鉍原子（藍色）在立方體的每個面上與氧原子（黃色）形成立方體晶格，而鐵原子（灰色）處於靠近中心的位置。稍微偏離中心的鐵與氧相互作用形成電偶極子（P），它與原子（M）的磁自旋耦合。因此，通過電場（E）能翻轉偶極子，從而翻轉磁矩。材料中原子的共同磁自旋可對二進制比特信息0與1進行編碼，從而實現信息存儲與邏輯運算。
MESO 的邏輯轉導與器件操作（參考資料【5】）
MESO 邏輯器件的運算機制（參考資料【5】）
MESO 器件的能量與延時（參考資料【5】）
MESO 器件的性能與面積與先進的CMOS器件和主要的“超越CMOS”的器件相比（參考資料【5】）
在快速開發具有“自旋-軌道效應”的拓撲材料的過程中，研究人員取得了關鍵性突破。所謂的自旋-軌道效應，也稱“自旋-軌道耦合”。最著名的例子是電子能級的位移。電子移動經過原子核的電場時，會產生電磁作用。電子的自旋與這電磁作用的耦合，形成了自旋-軌道作用。
在這項研究中，自旋軌道效應使得多鐵性狀態能被有效地讀出。在 MESO 器件中，電場能夠改變或翻轉貫穿材料的偶極電場，偶極電場能夠改變或者翻轉電子的自旋，電子的自旋會產生磁場。
MESO 器件的自旋軌道讀數（參考資料【5】）
這種功能來源於自旋軌道耦合，即材料中的一種量子效應，它產生了由電子自旋方向決定的電流。近年來，國際上關於相關材料中自旋軌道耦合效應的報道越來越多，例如：自旋霍爾效應、自旋場效應晶體管、低損耗自旋、自旋量子計算等。
價值
在《自然（Nature）》期刊的論文中，研究人員們報告稱，他們將多鐵性材料磁電開關所需的電壓從3伏降低至500毫伏，並且預測這個電壓有望降低至100毫伏：現今使用的 CMOS 晶體管所需電壓的五分之一到十分之一。低電壓意味著低能耗：將一個比特從1切換到0所需的總能量僅相當於 CMOS 技術所需能量的十分之一到三十分之一。
Young 表示：“在超越 CMOS 技術的時代，我們正在尋找革命性而非改良性的計算方案。MESO 建立在低電壓互聯與低電壓磁電的基礎上，將量子材料的創新帶到了計算機領域。”
高度自動化的無人駕駛汽車與無人機等技術，都要求“計算能力強大”、“能耗少”，也要求計算機提升每秒運算次數。然而，這種新型器件將有助於這些技術的發展。
Manipatruni 表示：“隨著 CMOS 技術已經發展到成熟，從根本上說我們將會擁有非常強大的技術選項。在某些方面，這種選項將為又一整代人持續提升計算能力。”
Ramesh 表示：“這項研究表明，你可以對這些多鐵性材料施加電壓，改變它們的磁序。但是對於我來說，‘我們能用這些多鐵性材料做什麼？’一直是一個大問題。MESO 填補了這一空缺，提供了一條計算演進的道路。”
Manipatruni 表示：“實現這些新型計算器件與架構需要開發一系列關鍵技術。我們正在嘗試在工業與學術領域發起新一波的創新，來研究下一個‘類似晶體管’的方案應該是什麼樣的。”
人類迫切地需要能效更高的計算機。美國能源部表示，隨著未來幾十年內計算機芯片工業的規模有望擴增至數萬億美元，計算機的能耗會從現今全美國能耗的3%猛增至20%，幾乎等同於如今美國交通部門的總能耗。更高能效的晶體管的“缺失”，將妨礙計算機集成到“萬物”（也稱為“物聯網”）之中。Ramesh 還表示，沒有新科技，美國在製造計算機芯片的領導地位也將被其他國家的半導體制造商所取代。
Ramesh 表示：“由於機器學習、人工智能與物聯網的發展，未來的家居、汽車、製造能力都會變得大不一樣。如果我們只採用現有技術，不進行新的探索，那麼能耗將變得非常大。我們需要基於科學的新突破。”
關鍵字
晶體管、自旋電子學、量子技術、多鐵性材料、半導體
【1】https://news.berkeley.edu/2018/12/03/new-quantum-materials-could-take-computers-beyond-the-semiconductor-era/
【2】S. Y. Bodnar et al., Writing and reading antiferromagnetic Mn2Au by Néel spin-orbit torques and large anisotropic magnetoresistance, Nature Communications 9, 24 January 2018, DOI:10.1038/s41467-017-02780-x
【3】Joseph S. Friedman et al, Cascaded spintronic logic with low-dimensional carbon, Nature Communications (2017). DOI: 10.1038/ncomms15635
【4】Julia A. Mundy, Charles M. Brooks, Megan E. Holtz, Jarrett A. Moyer, Hena Das, Alejandro F. Rébola, John T. Heron, James D. Clarkson, Steven M. Disseler, Zhiqi Liu, Alan Farhan, Rainer Held, Robert Hovden, Elliot Padgett, Qingyun Mao, Hanjong Paik, Rajiv Misra, Lena F. Kourkoutis, Elke Arenholz, Andreas Scholl, Julie A. Borchers, William D. Ratcliff, Ramamoorthy Ramesh, Craig J. Fennie, Peter Schiffer, David A. Muller, Darrell G. Schlom. Atomically engineered ferroic layers yield a room-temperature magnetoelectric multiferroic. Nature, 2016; 537 (7621): 523 DOI: 10.1038/nature19343
【5】https://www.nature.com/articles/s41586-018-0770-2
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