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1965年,英特爾公司的共同創(chuàng)始人戈登·摩爾發(fā)布了被奉為“信息技術(shù)第一法則”的摩爾定律。該定律指出,集成電路上可容納的元器件數(shù)目每18個(gè)月約翻1倍。
在過去的半個(gè)多世紀(jì)里,摩爾定律為半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展節(jié)奏設(shè)定了基本步調(diào)。自摩爾定律提出以來,不論是從單個(gè)芯片晶體管數(shù)目角度,還是從微處理器芯片、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器以及系統(tǒng)軟件角度來考察,摩爾定律的預(yù)言與現(xiàn)實(shí)都驚人地吻合?？尚酒暇w管的尺寸不可能無(wú)限制地縮小下去,芯片單位面積上可集成的元器件數(shù)目會(huì)達(dá)到極限。因此,唱衰摩爾定律的聲音也越來越盛,不斷有人預(yù)測(cè)出該定律失效的時(shí)間,或許是10年,或許是15年。
前不久,英特爾公司和加州大學(xué)伯克利分校研究人員借助自旋電子(MESO)技術(shù),研發(fā)出一種名為“磁電旋轉(zhuǎn)軌道”的邏輯元件,可將常見芯片元器件尺寸縮至當(dāng)前的1/5,同時(shí)可降低能耗超90%。有業(yè)內(nèi)人士估計(jì),科研人員可借助這一元件,研發(fā)出“超級(jí)芯片”,為摩爾定律“續(xù)命”。
那么,自旋電子技術(shù)到底是何方神圣?它真能讓摩爾定律延續(xù)輝煌嗎?
用自旋作信息載體,大幅降低能耗
“自旋電子技術(shù),利用電子自旋作為信息載體,通過調(diào)控與操縱自旋,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、邏輯運(yùn)算等?！蹦祥_大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院副教授董紅在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)說。
電荷與自旋是電子的兩個(gè)內(nèi)稟屬性。19世紀(jì)以來,人類開始調(diào)控電子的電荷屬性,發(fā)展了以半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的微電子學(xué),奠定了第三次產(chǎn)業(yè)革命的基礎(chǔ)。
0和1,是計(jì)算機(jī)記錄和存儲(chǔ)的底層語(yǔ)言。傳統(tǒng)電子器件依賴電荷產(chǎn)生這兩個(gè)數(shù)字,而自旋電子器件則依賴自旋。
“就像條形磁鐵的南北極一樣,自旋電子材料可借助‘上’或‘下’的電子自旋將二進(jìn)制數(shù)據(jù)記錄在材料中?！碧旖虼髮W(xué)微電子學(xué)院副院長(zhǎng)、博士生導(dǎo)師徐江濤說。
“傳統(tǒng)電子器件只是利用電子的電荷流動(dòng)存儲(chǔ)傳輸信息。自旋電子學(xué)器件在信息處理過程中,可只利用自旋作為傳輸載體,避免電荷的流動(dòng),從而大大降低能耗?！倍t說。
“自旋電子器件工作時(shí),產(chǎn)生的熱量很少。與常見的電子器件相比,無(wú)須耗費(fèi)更多的能源給器件散熱,相對(duì)來說更省電?！毙旖瓭f,自旋電子器件未來有望解決現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)功耗大和散熱難這兩大難題。
運(yùn)算速度更快,或取代傳統(tǒng)器件
按照摩爾定律設(shè)定的節(jié)奏,在過去的幾十年中,單位面積芯片上的元器件不斷“瘦身”,但其尺寸不可能無(wú)限制地縮小下去。在現(xiàn)有技術(shù)條件下,晶體管最小可做到3納米線寬。但目前大多數(shù)商業(yè)級(jí)別的應(yīng)用,都停留在7納米。
“這是逼近晶體管物理極限的寬度?！倍t解釋道,因?yàn)閺奈锢矶蓙砜?3納米線寬幾乎就是物理極限。
制約摩爾定律發(fā)展的核心因素是在物理方面,隨著芯片尺寸的不斷縮小,芯片產(chǎn)生的熱量將會(huì)增加,對(duì)電路自身會(huì)造成危害;其次,由于芯片在生產(chǎn)過程中不可避免地混有雜質(zhì),而伴隨著尺寸的縮小,雜質(zhì)的密度就會(huì)增大,雜質(zhì)的聚集將會(huì)影響導(dǎo)電性能,目前芯片中雜質(zhì)含量已接近所能允許的極限。
此外,隨著芯片尺寸的縮小,將發(fā)生電子漂移現(xiàn)象,晶體管會(huì)失去可靠性,可能無(wú)法控制電子的進(jìn)出,從而無(wú)法制造出1和0。
董紅表示,新聞中英特爾公司研發(fā)的新款元件由多鐵材料制成,這使得其既具有磁性又具有鐵電性。“這種材料的優(yōu)勢(shì)在于,磁性和鐵電性這兩種狀態(tài)是相互聯(lián)系或耦合的,改變一種就會(huì)影響另一種;通過控制電場(chǎng)狀態(tài),就能改變磁場(chǎng)狀態(tài)。這也讓其能有效避免電子漂移現(xiàn)象的出現(xiàn),同時(shí)也提升了運(yùn)算速度?！倍t說。
摩爾定律中提到的“元器件”,主要是指CMOS晶體管,這也是目前主流的晶體管種類。
“MESO的邏輯運(yùn)算速度比CMOS高5倍,這意味著,集成電路上單位面積晶體管計(jì)算能力還具備提升的潛力,摩爾定律還能夠延續(xù)?！倍t說,隨著自旋電子技術(shù)的進(jìn)步,用MESO技術(shù)制造出的晶體管未來或許能取代目前廣泛使用的CMOS晶體管。運(yùn)行速度更快、功耗更小的“超級(jí)芯片”有望為摩爾定律“加血續(xù)命”。
“萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代,數(shù)據(jù)呈幾何級(jí)增長(zhǎng),處理數(shù)據(jù)的能力和速度也應(yīng)‘水漲船高’,因此需要性能更強(qiáng)、耗能更低的芯片。”徐江濤認(rèn)為,目前在無(wú)人駕駛、智慧醫(yī)療等新興領(lǐng)域,計(jì)算效率已成為亟待突破的關(guān)口。
“現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造技術(shù)已不足以滿足未來發(fā)展的需求,因此必須尋找新的替代技術(shù),自旋電子就是‘后備軍’之一?！毙旖瓭f。
尚處起步階段,應(yīng)用仍需時(shí)日
既環(huán)保又高效,自旋電子器件優(yōu)點(diǎn)多多。如此看來,傳統(tǒng)晶體管技術(shù)未來必將被這支“后備軍”所取代。
然而,事情沒有那么簡(jiǎn)單。
董紅表示,截至目前,芯片廠商仍在固守舊路,努力研制接近線寬極值3納米的晶體管,而鮮有考慮從其他路徑進(jìn)行顛覆性創(chuàng)新。
“其中一個(gè)重要的原因是,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不是一錘子買賣,不存在一個(gè)技術(shù)能包治百病、解決所有問題?！倍t表示,“芯片廠商們更加希望有可持續(xù)多年的路線圖,如同摩爾定律一樣,引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)持續(xù)獲利。”
正因如此,英特爾公司在評(píng)估了25個(gè)不同的技術(shù)路線后,判斷MESO在長(zhǎng)期內(nèi)具有持續(xù)迭代的可能,才最終確定了這種新型方案。
廠商們想要的是低投入、高產(chǎn)出,誰(shuí)也不愿用真金白銀去試錯(cuò)?！鞍雽?dǎo)體芯片是一個(gè)需要高投入、規(guī)模效應(yīng)的產(chǎn)業(yè),投資周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)大,大多數(shù)人不愿冒險(xiǎn)?！倍t說。
“目前,自旋電子技術(shù)尚處在起步階段,離產(chǎn)業(yè)應(yīng)用至少還有15年的時(shí)間?！倍t說,“開發(fā)自旋電子器件,仍有幾個(gè)技術(shù)瓶頸亟待突破。比如,在自旋電子材料中,生成和檢測(cè)極度微小的電子自旋信號(hào)就是主要障礙之一。”
徐江濤也認(rèn)為,由于涉及到器件設(shè)計(jì)、制備、優(yōu)化等一系列、全行業(yè)的改變,MESO這種新型的構(gòu)架走出實(shí)驗(yàn)室,走向大規(guī)模應(yīng)用還需時(shí)日。
“若‘超級(jí)芯片’得到應(yīng)用,將極大地降低計(jì)算功耗。但不排除在等待它降臨的期間,會(huì)出現(xiàn)更優(yōu)的技術(shù)路線,或更有利于芯片產(chǎn)業(yè)革新的技術(shù)方案?！毙旖瓭f,“不管采用哪種技術(shù)方案,毫無(wú)疑問,這將是一場(chǎng)技術(shù)革命,對(duì)芯片產(chǎn)業(yè)和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)來說都將起到極大的推動(dòng)作用?！?a href="http://www.ksrykj.com/news/link.shtml?t=OBWEDU9MI2k1Ru5LAPLLYeC46+QbAjKI&siteID=123">
