From:Berkeley 編譯：Yulei
英特爾和加州大學伯克利分校的研究人員正致力於研究出顛覆當前晶體管技術的新型存儲器和邏輯器件。研究人員近日在Nature發表了最新的研究成果，將相對較新的多鐵性(multiferroic material )和拓撲材料製備成邏輯和存儲器件。基於該種新材料的器件的能量利用率是目前CMOS微處理器的10-100倍，邏輯運算速度也比CMOS高出五倍。
這種稱為MESO(magnetoelectric spin–orbit)的器件將使得單位面積的計算能力大幅增加，同時能耗也逐步降低，這一研究將繼續支撐摩爾定律在芯片領域的適用性。這些新設備將推動諸如自動駕駛汽車和無人機等智能技術的發展，幫助它們在低能耗的前提下實現強大的計算能力。
多鐵性和自旋軌道材料
晶體管技術發明於70年前，現在廣泛應用於從手機，到電器，汽車和超級計算機等各個領域。晶體管在半導體內部周圍移動電子並將它們存儲為二進制位0和1。但受制於物理極限和功耗的限制，目前的技術已經不斷逼近物理極限。隨著7nm工藝的提出，人們亟待尋找出能夠繼續提高計算密度，降低功耗的新工藝、新材料。而MESO的出現，讓新型計算器件成為可能。
磁電和自旋軌道的MESO（magneto-electric spin-orbit）材料器件，有朝一日或可取代現階段廣泛使用的CMOS型半導體晶體管材料。MESO在多鐵材料中使用上下磁自旋來存儲二進制信息並進行邏輯運算。
多鐵性材料是其原子表現出多於一種“集體態”的材料。例如，在鐵磁體中，材料中所有鐵原子的磁矩對齊以產生永磁體，在鐵電材料中，原子的正電荷和負電荷被抵消，產生電偶極子，其在整個材料中對齊併產生永久電矩。
MESO基於由鉍，鐵和氧（BiFeO3）組成的多鐵材料，其既是磁性的又是鐵電的。它的關鍵優勢在於磁性和鐵電這兩種狀態是相互聯繫或耦合的，因此改變其中一種會影響另一種。通過操縱電場，可以改變磁場狀態。隨著具有自旋軌道效應的拓撲材料的快速發展，可以有效地讀出多鐵性的狀態。
在MESO器件中，電場改變或翻轉整個材料中的偶極電場，將隨之改變產生磁場的電子自旋態。這種能力來自與自旋軌道耦合，材料中的量子效應產生可由電子自旋方向決定的電流。研究表明，採用磁電材料鉍—鐵—氧化物（BiFeO3）的電壓控制磁開關，這是實現MESO的關鍵要求。研究人員表示，在跨越CMOS時代的研究中，MESO以低壓互連和低壓磁電為基礎，將量子材料的創新帶入計算領域。
上圖顯示了多鐵性材料的晶體結構：多鐵性材料的單晶由鉍 - 鐵 - 氧化物組成。藍色的鉍原子形成立方晶格，黃色的氧原子存在於面心，灰色的鐵原子存在於體心。 稍微偏離中心的鐵與氧相互作用形成電偶極子（P），其耦合到原子（M）的磁自旋，使得用電場（E）翻轉偶極子也會使磁矩翻轉。材料中原子的集體磁自旋對二進制位0和1進行編碼，並允許信息存儲和邏輯運算。
在新的MESO器件中，由多鐵性的上下磁自旋狀態來表示二進制比特，這種材料最初由本文的作者之一的加州大學伯克利分校材料科學與工程和物理學教授Ramamoorthy Ramesh於2001年提出。
Ramesh教授表示，在這種新材料中發現了一種奇特的特性，可以通過施加電壓來改變多鐵性的磁序。但如何利用這種特性呢？研究人員將材料和計算機領域面臨的問題結合起來，利用MESO構建起了兩個領域互相促進的橋樑。
通過MESO可以構建與CMOS一樣的二進制比特結構，並且由於其特殊的多鐵磁性，使得控制電壓可以大幅降低。下圖顯示了MESO作為邏輯器件的工作流程。
其中，磁電效應將輸入信息轉變為磁性，而後又通過拓撲材料中的自旋軌道效應將磁場狀態的變化轉換為電荷輸出。圖b中展示了由磁電電容器和拓撲材料構成的MESO器件。其中包含了將自旋從鐵磁材料注入到拓撲材料中的自旋注入層、導電材料構成的連接線、並在上下連接了電源和接地。其中+x為輸入-x為輸出方向，能量從上到下注入整個器件中。在上圖中白色的箭頭代表了鐵磁材料的磁化方向，灰色箭頭代表了電流方向和能量流方向。注入的能量電流可以用於放大信號、產生增益並驅動更大的輸出設備。
目前研究已將多鐵電磁電開關所需的電壓從3伏降低到500毫伏，並預測應該可以將其降低到100毫伏——目前使用的CMOS晶體管所需電壓的五分之一到十分之一。較低的電壓意味著更少的能耗：將位從1切換為0的總能量將是CMOS所需能量的十分之一到三十分之一。下圖可以看到這種器件的能量消耗和響應時間。可以看到開關能量消耗在1飛焦到0.1阿焦(10^-18)之間，而響應時間則維持在了100ps左右。這些參數顯示了這種新型器件優異的性能。
物聯網和人工智能
物聯網和人工智能的發展迫切需要更高效的計算機。美國能源部預計，隨著計算機芯片產業在未來幾十年內將擴大到數萬億美元，計算機能耗將從目前美國所有能源消耗量的3％猛增至20％，幾乎與今天的運輸部門的能耗一樣多。如果沒有更節能的晶體管，物聯網的發展將會大大受阻。如果沒有新的科學技術，美國在製造計算機芯片方面的領先優勢可能會被其他國家的半導體制造商所取代。
由於機器學習，人工智能和物聯網技術的發展，未來的家庭、汽車和產業的製造能力將煥然一新。但使用現有技術能源消耗巨大，MESO的發現將有助於改變這一現狀。這種新型的器件將有助於繼續增加微器件的能量密度降低操作電壓，並持續增加邏輯電路的密度改善微小器件的電抗性能。這種新材料將開啟超越CMOS計算器件的新時代，集合非易失性和低功耗的特性，MESO邏輯器件將有可能帶來新的計算架構。
ref:
paper:https://www.nature.com/articles/s41586-018-0770-2
https://news.berkeley.edu/2018/12/03/new-quantum-materials-could-take-computers-beyond-the-semiconductor-era/
logo from:https://dribbble.com/shots/5305609-Circuit-Board-Products-Series
-The End-
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