不怕掉电的计算机:基于磁效应的逻辑电路

  物理, 评论
/gkimage/m6/zy/cg/m6zycg.png

美国防御发展研究计划机构目前非常重视一种新的逻辑门,它依靠的磁的性质而不是电。这一特性使得在将来的某一天,计算机的功耗将能够降低至现在的几分之一。另外一些科学家预言,这个利用磁效应的特点将会使得开机速度变得非常快!

该机构现已拨款840万资助美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)的一个小组来进行一个为期4年的“自旋电子”计划,同时拨款990万给圣母大学的一个小组来研究纳米磁性,旨在建立一个完全基于磁效应的逻辑电路。

电效应?磁效应?

就目前的科技而言,纯粹能够即开即用的电脑是不存在的。一部分原因在于如今的处理器使用的是电效应,输出一旦停止,它们就忘记之前是干啥的了。这些芯片之所以这么健忘是因为它们依赖的是电子的流动。当外界激励消失后,电荷的流动以及一切处理器都停止了。而当激励恢复的时候,这个电路必须使用原先单独存储在非易失性存储器、而不是CPU里面的信息来重新启动,而这一过程是需要时间的。

基于磁效应的逻辑电路却不同,它们是非易失性的。即便当你拔掉电源,它们仍然可以保持记忆,而当电源恢复以后,它们就能继续工作。UCLA这个组的负责人Pedram Khalili指出,这一个特性将促进计算机的快速启动。

UCLA的另一位电子工程师Alex Khitun同时也在关注着这个非易失性逻辑电路的节能特性。他指出,这个逻辑电路的记忆性使得芯片仅仅在其做计算和使用时才消耗能源,而当其在等候下一个指令时,却不需要消耗能源。

UCLA:“自旋电子”计划

防御发展研究机构给UCLA工程师们定下的目标,是研发出一个功耗极低的2字节的加法逻辑电路,每一个逻辑操作仅仅消耗10的-17方焦耳。而对于传统的CMOS逻辑电路,实现同样的逻辑功能,不仅能量的消耗要高好几个量级,而且其电路还是易失性的。

UCLA的课题组正在研发一个通过使用电子自旋而不是基于瞬变电流的器件来实现逻辑操作,这一应用被电子工程师Khitun描述为“磁化波”或者“自旋波”。这个器件通过存储余波(波的干涉图)来实现一种新型的磁性记忆。

自旋波能够让电子的自旋(量子力学中测量粒子角动量的结果)倾斜,这是因为电子自旋是有自己本身的伴随磁场的。为了使电子自旋倾斜,研究者施加很小的电压到特定的多铁材料上面,这同样也可以使得邻近的电子自旋倾斜。这些邻近的自旋磁场反过来也可以影响其它近邻电子的自旋,这就是一个的传递游戏。

2005年,UCLA的研究组已经通过这种波动实现了逻辑操作。“我坚信未来的逻辑器件是基于波的传播的。”Khitun说。棘手的是,Khitun所坚信的基于自旋波的电子计算,和当今正使用的基于电流的逻辑电路一样,是易失性的(随着时间衰减)。为了使这种新的逻辑电路实现真正的非易失性,小组正致力于发展一种可以记录输出自旋波的结构。当输入激励消失的时候,电路之前的计算是不会消失的。

圣母大学:纳米磁性逻辑电路

而圣母大学由Wolfgang Porod领导的科研小组,却认为没有必要将整个过程分成两步:第一步是实现逻辑操作,第二步是储存结果。因此圣母大学使用另外一种方法将两步同时完成,他们的纳米磁性逻辑电路基于在小磁点(尺寸60到90纳米,间距20纳米)之间发射磁场。正如同一般磁铁会互相偏折,纳米小磁铁也会改变附近的磁化性质。通过和传统的CMOS比较,Porod的研究组已经证实,精细地摆放很多小磁点在特定的位置,可以组成所需要的逻辑电路,这个电路只需要用到原先COMS百分之一的能量而且是非易失性的,这就意味着在进行计算的同时也存储了结果。他说:

我们知道用磁现象肯定会有这样的好处,但是我们从来没有勇气去尝试。当有一天我们去试了,就成功了。

但是UCLA的Khalili认为基于自旋波的逻辑电路有其自身的优点,相比较于要求的纳米磁物质的磁岛,它的速度更快并且尺寸更小,这在未来的逻辑电路里面是非常重要的。Khalili认为这些性质可以使得这种器件达到防御发展研究计划机构的要求——即在1平方微米的电路里面传播信息。

Khalili坚信磁性逻辑电路将会在未来低功耗高速度的新应用里开拓自己的一片天地,因为他们的设计是一个很顺其自然的推广。他说:

你们有逻辑电路,你们有记忆芯片。我们做的只是把这两者结合在一起。

来源: spectrum

LEAVE A COMMENT

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.