IMEC和英特爾攜手研發(fā)替代CMOS的新器件

這種低功耗的設(shè)備完全依靠電流運行，比依靠磁場的競爭對手更上一層樓。

自旋電子學(xué)是超越CMOS的未來探索的萌芽之路。今天的電子器件利用的是電子的電荷，而自旋電子學(xué)則利用了另一個關(guān)鍵特性：電子的自旋，即電子固有的角動量，它指向“上”或“下”。自旋電子學(xué)器件比CMOS器件功耗小得多，即使在器件關(guān)閉時也能保存數(shù)據(jù)。

自旋已經(jīng)在存儲器中使用，例如磁阻RAM（MRAM）。然而，為了執(zhí)行邏輯運算而操縱微小的磁效應(yīng)更為困難。例如，2018年，麻省理工學(xué)院的研究人員用氫離子作為自旋晶體管的可能基礎(chǔ)進(jìn)行了實驗。他們的努力是非?；A(chǔ)的；研究小組承認(rèn)，要研制出一種能夠存儲和處理信息的功能齊全的自旋晶體管，還有很長的路要走。

現(xiàn)在，imec和英特爾的研究人員已經(jīng)發(fā)明了一種自旋電子邏輯器件，它可以完全由電流而不是磁場來控制。博士生Eline Raymenants在最近的IEEE國際電子設(shè)備會議（International Electron Devices Meeting，IEDM）上介紹了該團(tuán)隊的工作。

電子的自旋產(chǎn)生磁矩。當(dāng)許多自旋相同的電子靠得很近時，它們的磁矩就可以對齊并合力形成一個更大的磁場。這樣的區(qū)域稱為磁疇，磁疇之間的邊界稱為疇壁。一種材料可以由許多這樣的疇和疇壁組成，像磁化馬賽克一樣組裝起來。

設(shè)備可以對這些域中的0和1進(jìn)行編碼。指向“向上”的域可以表示0，其中“向下”表示1。imec和英特爾所研發(fā)的設(shè)備使用放置在納米級導(dǎo)線的單個文件行中的域。然后，該裝置利用電流沿著電線移動這些區(qū)域及其墻壁，就像火車軌道上的汽車一樣。

軌道在磁性隧道接頭（magnetic tunnel junction，MTJ）處與道岔相接。它類似于現(xiàn)在硬盤的讀磁頭，但是研究人員已經(jīng)實現(xiàn)了一種新型的MTJ，這種MTJ經(jīng)過優(yōu)化，可以更快地移動域壁。MTJ從磁道讀取信息并作為邏輯輸入。

同樣的MTJ也是將信息寫入軌道的地方。為了做到這一點，imec-英特爾設(shè)備使用的技術(shù)與當(dāng)今MRAM中使用的技術(shù)相同。該裝置通過一個自旋極化電流，其中大多數(shù)電子在一個方向上有自旋，通過一個磁疇。這種電流可以重新調(diào)整磁場的方向，在這個過程中創(chuàng)建或編輯疇壁。

它類似于racetrack存儲器，這是十年前首次提出的一種實驗性數(shù)據(jù)存儲形式。racetrack存儲器還將信息寫入magnetic domains ，并使用電流沿納米線或“racetrack”將這些magnetic domains穿梭（shuttle）。但是，imec-英特爾設(shè)備利用了材料方面的優(yōu)勢，使domain walks可以更快地沿線向下移動。研究人員說，這是允許邏輯的關(guān)鍵。

imec研究員Van Dai Nguyen表示，迄今為止，研究人員主要致力于優(yōu)化這些材料。

然而，imec-英特爾團(tuán)隊的研究并不孤單。早在2020年，蘇黎世ETH的研究人員利用域墻邏輯創(chuàng)建了一個邏輯門。麻省理工學(xué)院的研究人員最近還展示了一種基于域壁的人工神經(jīng)元。像imec-英特爾研究人員和racetrack內(nèi)存一樣，這些設(shè)備也使用電流來移動域。

但是蘇黎世和麻省理工學(xué)院的設(shè)備依靠磁場來寫信息。就邏輯而言，這并不理想?！叭绻憬⒁粋€邏輯電路，”imec探索計算主管Iuliana Radu說，“你不會放一個巨大的磁鐵，你可以改變方向或開關(guān)來實現(xiàn)邏輯?！盧adu說，完全的電子控制也將允許imec-英特爾設(shè)備連接到CMOS電路。

研究人員說，他們的下一步將是展示其裝置的實際作用。他們設(shè)計了一個多數(shù)門，如果大多數(shù)輸入為正，則返回正結(jié)果。但是，Radu說，他們還沒有真正探索這種設(shè)計。只有到那時，研究人員才能知道他們的自旋電子學(xué)邏輯將如何與CMOS體系建立抗衡。

原文標(biāo)題：IMEC和英特爾攜手開發(fā)一款新器件 替代CMOS

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