可用于量子處理器和模擬人腦裝置的三值邏輯模式運(yùn)行的微觀結(jié)構(gòu)

據(jù)俄羅斯衛(wèi)星通訊4月22日消息，俄羅斯遠(yuǎn)東聯(lián)邦大學(xué)自然科學(xué)學(xué)院和中國科學(xué)院的科學(xué)家聯(lián)合研發(fā)出能夠以三值邏輯模式運(yùn)行的微觀結(jié)構(gòu)。這種微觀結(jié)構(gòu)既可以同時(shí)作為處理器和存儲(chǔ)單元應(yīng)用于量子處理器和模擬人腦裝置的建造工程。

這種微觀結(jié)構(gòu)由納米級(jí)的白金、鈷（只有0.8納米厚）、氧化鎂層和白金表層組成。它為建造新的電子和自旋電子設(shè)備，量子處理器和模仿人類大腦活動(dòng)的神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)鋪平了道路。

該項(xiàng)目俄方領(lǐng)導(dǎo)人、遠(yuǎn)東聯(lián)邦大學(xué)自然科學(xué)學(xué)院計(jì)算機(jī)系統(tǒng)教研室副教授亞歷山大?薩馬爾達(dá)克指出，“三值邏輯大幅超越二值邏輯（0和1），其原理將為不遠(yuǎn)的未來建造智能計(jì)算機(jī)奠定基礎(chǔ)。此類裝置運(yùn)算速度更快，壽命更長，能耗更低?！?/p>

相關(guān)研究成果，以“Chirality-Reversible Multistate Switching via Two Orthogonal Spin-Orbit Torques in a Perpendicularly Magnetized System”為題，發(fā)表在《Physical Review Applied》上。

當(dāng)代的計(jì)算機(jī)處理器消耗大量能量，用存儲(chǔ)單元代表不同的隔室，其功效受到二值邏輯的限制。這些障礙限制了計(jì)算機(jī)設(shè)備在小型化和快速性能上的進(jìn)一步發(fā)展。

在俄羅斯基礎(chǔ)研究基金會(huì)（RFBR）和中國科學(xué)院的聯(lián)合項(xiàng)目中，F(xiàn)EFU自然科學(xué)學(xué)院的科學(xué)家開發(fā)出了由納米層的鉑，鈷（僅0.8 nm），氧化鎂和鉑涂層。

為了獲得自旋電流并影響鈷層，科學(xué)家施加了兩個(gè)交叉電流和一個(gè)平面內(nèi)磁場來改變磁對(duì)稱性。同時(shí)，它們感應(yīng)出短脈沖電流流過鉑的下層。結(jié)果，具有不同極性的電子自旋（定向?yàn)椤跋蛏稀焙汀跋蛳隆?，分別對(duì)應(yīng)于模式1和0）轉(zhuǎn)向鉑層的相對(duì)表面，產(chǎn)生了純自旋電流，該自旋電流影響了電子的自旋磁性層。在某些條件下，鈷層的自旋被轉(zhuǎn)換。這意味著該單元格從0切換為1。

由于電流脈沖通過了另外兩個(gè)正交（垂直）放置的觸點(diǎn)，因此可以控制鈷層中的不同磁狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)三值邏輯的不同狀態(tài)。事實(shí)證明，這樣的正交電流可以更低，并且有機(jī)會(huì)控制分層結(jié)構(gòu)中的其他中間穩(wěn)定磁態(tài)，這對(duì)于神經(jīng)形態(tài)裝置的發(fā)展很重要。而且，諸如AND，OR，NOT-AND和NOT-OR的邏輯運(yùn)算可以通過一定的交叉電流序列在結(jié)構(gòu)中調(diào)用。

亞歷山大·薩瑪達(dá)克（Alexander Samardak）解釋說，我們還需要進(jìn)一步研究，才能使真正的自旋電子設(shè)備和以三值邏輯運(yùn)行的神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)。

首先，必須消除施加于開關(guān)磁對(duì)稱的恒定磁場。其次，為了實(shí)現(xiàn)芯片上元件的高密度，有必要將單元尺寸減小到100-200 nm。第三，必須準(zhǔn)確地讀取磁性層的不同狀態(tài)，這需要基于隧道磁阻效應(yīng)的高度靈敏的傳感器。

科學(xué)家注意到，第一臺(tái)基于三值邏輯的計(jì)算機(jī)是1960年代初期在蘇聯(lián)開發(fā)的。由NP Brusentsov教授（莫斯科羅蒙諾索夫國立大學(xué)）領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)小組實(shí)施了名為Setun的項(xiàng)目。但是，盡管Setun相對(duì)于二進(jìn)制邏輯操作的機(jī)器具有許多優(yōu)勢(shì)，但并未得到廣泛認(rèn)可。

在過去的八年中，F(xiàn)EFU電影技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家與中國科學(xué)院的同事，生產(chǎn)領(lǐng)域以及自旋電子學(xué)薄膜系統(tǒng)研究的領(lǐng)導(dǎo)者進(jìn)行了合作。在此期間，他們已經(jīng)開發(fā)了幾個(gè)有關(guān)磁傳感器和納米級(jí)自旋系統(tǒng)的聯(lián)合項(xiàng)目。

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