凱澤斯勞滕科技大學(xué)（TUK）和維也納大學(xué)的研究人員成功地構(gòu)建了一個(gè)計(jì)算機(jī)電路的基本組成部分，用磁振子代替電子傳遞信息?！禢ature Electronics》雜志上所描述的“磁振半加法器”只需要三根納米線，而且比最新的計(jì)算機(jī)芯片能耗低得多。

一組物理學(xué)家正在為尋求更小、更節(jié)能的計(jì)算打下一個(gè)里程碑：他們開發(fā)了一個(gè)集成電路，使用磁性材料和磁子來傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)，這是構(gòu)成當(dāng)今計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)的基礎(chǔ)的1和0。

這種新的電路非常微小，采用流線型的二維設(shè)計(jì)，比目前最先進(jìn)的采用CMOS技術(shù)的計(jì)算機(jī)芯片所需能量少10倍。雖然目前的磁振子結(jié)構(gòu)不如CMOS快，但成功的演示現(xiàn)在可以進(jìn)一步用于其他應(yīng)用，如量子或神經(jīng)形態(tài)計(jì)算。

成功的合作

這個(gè)原型是安德烈·丘馬克（Andrii Chumak）歐洲研究委員會(huì)（ERC）啟動(dòng)資助的四年努力的結(jié)晶，并與TUK大學(xué)的Philipp Pirro博士和目前在維也納大學(xué)博士后的Wang博士密切合作。丘馬克教授在杜克大學(xué)開始了這項(xiàng)工作，現(xiàn)在領(lǐng)導(dǎo)著維也納大學(xué)的一個(gè)研究小組。

丘馬克說：“我們非常高興，因?yàn)槲覀兂晒Φ赝瓿闪藥啄昵暗挠?jì)劃，而且效果比我們預(yù)期的還要好?！碑?dāng)他第一次提出磁振子電路時(shí)，他的設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，他認(rèn)為這篇論文的主要作者王功權(quán)使設(shè)計(jì)“至少改進(jìn)了100倍”。

丘馬克說：“我們現(xiàn)在看到，磁電子電路可以和CMOS一樣好，但如果你想觸發(fā)工業(yè)，這可能還不夠。我想你至少得比它小100倍，速度更快。但這一電路為二進(jìn)制數(shù)據(jù)以外的其他領(lǐng)域提供了絕佳的機(jī)會(huì)，例如在非常低的溫度下進(jìn)行量子磁計(jì)算。”

皮爾羅補(bǔ)充道：“我們也有興趣為受大腦功能啟發(fā)的神經(jīng)形態(tài)磁共振計(jì)算機(jī)調(diào)整電路。”

工作原理

這些納米電路元件的尺寸不到一微米，比人的頭發(fā)還薄，即使在顯微鏡下也幾乎看不見。它包括三根納米線，由一種叫做釔鐵石榴石的磁性材料制成。這些導(dǎo)線彼此精確定位，形成兩個(gè)“定向耦合器”，引導(dǎo)磁振子穿過導(dǎo)線。磁振子是自旋波的量子，把它們想象成投進(jìn)巖石后池塘表面的漣漪，但在這種情況下，波是由量子水平上固體材料的磁序扭曲而形成的。我們花了大量的時(shí)間和精力找出最佳的納米線長度和間距，以產(chǎn)生預(yù)期的結(jié)果。

在第一個(gè)耦合器處，兩根導(dǎo)線非常接近，自旋波被分成兩半。一半進(jìn)入第二個(gè)耦合器，在那里它在導(dǎo)線之間來回跳躍。根據(jù)振幅的不同，波將從頂部或底部導(dǎo)線退出，分別對應(yīng)于二進(jìn)制“1”或“0”。由于電路包含兩個(gè)方向耦合器，將兩個(gè)信息流相加，因此形成了一個(gè)“半加法器”，這是計(jì)算機(jī)芯片中最通用的組件之一。數(shù)百萬個(gè)這樣的電路可以組合起來進(jìn)行越來越復(fù)雜的計(jì)算和功能。

皮爾羅說：“普通計(jì)算機(jī)通常需要數(shù)百個(gè)元件和14個(gè)晶體管，而這里只需要三根納米線、一個(gè)自旋波和非線性物理?！?。

未來應(yīng)用

皮爾羅目前正在杜克大學(xué)的自旋電子學(xué)計(jì)算研究中心“Spin+X”的框架內(nèi)領(lǐng)導(dǎo)方向，他現(xiàn)在將探索使用純磁振子電路進(jìn)行神經(jīng)形態(tài)計(jì)算，這種方法處理數(shù)據(jù)的方式不是二進(jìn)制的，而是更像人腦。自旋波更適合于更復(fù)雜的系統(tǒng)，并且有可能攜帶更多的信息，因?yàn)樗鼈冇袃蓚€(gè)參數(shù)：振幅，波高，相位，波角。在當(dāng)前的演示中，團(tuán)隊(duì)沒有使用phase作為變量，以使其對于二進(jìn)制數(shù)據(jù)處理保持簡單。

皮爾羅說：“如果這種設(shè)備已經(jīng)可以與CMOS競爭，即使它沒有使用基于波的方法的全部功率，那么我們可以非常確信，在某些任務(wù)中，利用自旋波的全部功率的方案比CMOS更有效?！碑?dāng)然，最終目標(biāo)是將CMOS和純磁振子技術(shù)的優(yōu)勢結(jié)合在一起。”
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