英特爾有望在下一代微處理器中採用新型量子材料

英特爾的研究人員可能已經研製出了一種能夠取代幾十年來微處理器、存儲晶元和其他邏輯電路一直使用的技術的替代品。

這項研究很重要，因為基於互補性氧化金屬半導體（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS）技術的晶元已經接近其潛力的頂峰。 CMOS晶元是建立在通過由絕緣柵極控制可切換的半導體電導彼此連接的晶體管基礎之上的。

自20世紀60年代以來，這項技術一直為行業提供良好的性能，但近年來也成為一個限制因素。這項技術的小型化——為了將更多的晶體管封裝到電路板上並提高其計算能力——正在變得越來越困難。

因此，為了打造更強大的微處理器，英特爾正致力於利用新的量子材料彌補CMOS的不足。英特爾研究人員稱，一種名為「可擴展的節能型電動旋轉軌道邏輯」技術可能就是這個問題的答案。

與CMOS相比，這種所謂的MESO技術有可能將微晶元的電壓降低到CMOS的五分之一，當結合「超低睡眠狀態功率」的時候，能效可以提高10到30倍。

英特爾研究人員在《自然》雜誌上發表的一篇論文中這樣寫道：「我們正在尋找革命性的、而不是進化性的、超越了CMOS時代的計算方法。MESO是圍繞低壓互連和低壓磁電機構建的，將量子材料創新與計算結合在一起。我們對我們取得的進展感到非常興奮，期待著未來能夠展示進一步降低電壓的潛力。」

英特爾研究人員已經使用由加州大學伯克利分校Ramamoorthy Ramesh和勞倫斯伯克利國家實驗室開發的巨型電子和量子材料構建了MESO原型設備。

更具體地說，MESO在室溫下使用所謂的多鐵材料，產生「自旋 - 軌道轉換效應」。該材料是磁性的——也就是原子全部對齊，如同常見的永久性磁鐵——和鐵磁性的，這兩種狀態是耦合在一起的，這意味著如果你改變其中一個，也要改變另一個。

研究人員表示：「在MESO設備中，電場會改變或翻轉整個材料中的偶極子電場，這會改變或翻轉產生磁場的電子自旋，」研究人員說。

圖註：多鐵性材料鉍-鐵-氧化物的單晶。鉍原子（藍色）在立方體的每個面上形成具有氧原子（黃色）的立方晶格，並且在中心附近形成鐵原子（灰色）。稍微偏離中心的鐵與氧相互作用以形成電偶極子（P），耦合到原子（M）的磁自旋，從而翻轉電場（E）偶極子也會讓磁矩發生翻轉。該材料中原子集體磁自旋對二進位位0和1進行編碼，從而可進行信息存儲和邏輯運算。

Constellation Research分析師Holger Mueller表示，英特爾的研究令人鼓舞，因為這對於不斷打破微處理器發展障礙、滿足下一代應用工作負載需求來說是十分必要的。

Mueller說：「通過MESO，英特爾向前邁出了關鍵一步，讓多狀態鐵材料幫助打造更高效的計算平台。這是一個充滿希望的開端，現在這項新技術必須在實際應用得到檢驗。」

然而，這可能還有很長一段路要走。儘管MESO原型設備顯示出了具有前景的結果，但Ramesh表示，該技術仍處於初期階段，還需要進行更多研究，實際設備仍有可能至少需要十年時間。

Ramesh說：「還有很多工作要做。今天的電腦電壓是3伏。Nature論文中提到的這個設備電壓達到了100毫伏。我們需要更好地去理解物理學。」

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