伯克利英特尔研究出颠覆当前晶体管技术的新型存储器和逻辑器件

英特尔和加州大学伯克利分校的研究人员正致力于研究出颠覆当前晶体管技术的新型存储器和逻辑器件。研究人员近日在Nature发表了最新的研究成果，将相对较新的多铁性(multiferroic material )和拓扑材料制备成逻辑和存储器件。基于该种新材料的器件的能量利用率是目前CMOS微处理器的10-100倍，逻辑运算速度也比CMOS高出五倍。

这种称为MESO(magnetoelectric spin–orbit)的器件将使得单位面积的计算能力大幅增加，同时能耗也逐步降低，这一研究将继续支撑摩尔定律在芯片领域的适用性。这些新设备将推动诸如自动驾驶汽车和无人机等智能技术的发展，帮助它们在低能耗的前提下实现强大的计算能力。

多铁性和自旋轨道材料

晶体管技术发明于70年前，现在广泛应用于从手机，到电器，汽车和超级计算机等各个领域。晶体管在半导体内部周围移动电子并将它们存储为二进制位0和1。但受制于物理极限和功耗的限制，目前的技术已经不断逼近物理极限。随着7nm工艺的提出，人们亟待寻找出能够继续提高计算密度，降低功耗的新工艺、新材料。而MESO的出现，让新型计算器件成为可能。

磁电和自旋轨道的MESO（magneto-electric spin-orbit）材料器件，有朝一日或可取代现阶段广泛使用的CMOS型半导体晶体管材料。MESO在多铁材料中使用上下磁自旋来存储二进制信息并进行逻辑运算。

多铁性材料是其原子表现出多于一种“集体态”的材料。例如，在铁磁体中，材料中所有铁原子的磁矩对齐以产生永磁体，在铁电材料中，原子的正电荷和负电荷被抵消，产生电偶极子，其在整个材料中对齐并产生永久电矩。MESO基于由铋，铁和氧（BiFeO3）组成的多铁材料，其既是磁性的又是铁电的。它的关键优势在于磁性和铁电这两种状态是相互联系或耦合的，因此改变其中一种会影响另一种。通过操纵电场，可以改变磁场状态。随着具有自旋轨道效应的拓扑材料的快速发展，可以有效地读出多铁性的状态。

在MESO器件中，电场改变或翻转整个材料中的偶极电场，将随之改变产生磁场的电子自旋态。这种能力来自与自旋轨道耦合，材料中的量子效应产生可由电子自旋方向决定的电流。研究表明，采用磁电材料铋—铁—氧化物（BiFeO3）的电压控制磁开关，这是实现MESO的关键要求。研究人员表示，在跨越CMOS时代的研究中，MESO以低压互连和低压磁电为基础，将量子材料的创新带入计算领域。

上图显示了多铁性材料的晶体结构：多铁性材料的单晶由铋 - 铁 - 氧化物组成。蓝色的铋原子形成立方晶格，黄色的氧原子存在于面心，灰色的铁原子存在于体心。 稍微偏离中心的铁与氧相互作用形成电偶极子（P），其耦合到原子（M）的磁自旋，使得用电场（E）翻转偶极子也会使磁矩翻转。材料中原子的集体磁自旋对二进制位0和1进行编码，并允许信息存储和逻辑运算。

在新的MESO器件中，由多铁性的上下磁自旋状态来表示二进制比特，这种材料最初由本文的作者之一的加州大学伯克利分校材料科学与工程和物理学教授Ramamoorthy Ramesh于2001年提出。Ramesh教授表示，在这种新材料中发现了一种奇特的特性，可以通过施加电压来改变多铁性的磁序。但如何利用这种特性呢？研究人员将材料和计算机领域面临的问题结合起来，利用MESO构建起了两个领域互相促进的桥梁。通过MESO可以构建与CMOS一样的二进制比特结构，并且由于其特殊的多铁磁性，使得控制电压可以大幅降低。下图显示了MESO作为逻辑器件的工作流程。

其中，磁电效应将输入信息转变为磁性，而后又通过拓扑材料中的自旋轨道效应将磁场状态的变化转换为电荷输出。图b中展示了由磁电电容器和拓扑材料构成的MESO器件。其中包含了将自旋从铁磁材料注入到拓扑材料中的自旋注入层、导电材料构成的连接线、并在上下连接了电源和接地。其中+x为输入-x为输出方向，能量从上到下注入整个器件中。在上图中白色的箭头代表了铁磁材料的磁化方向，灰色箭头代表了电流方向和能量流方向。注入的能量电流可以用于放大信号、产生增益并驱动更大的输出设备。

目前研究已将多铁电磁电开关所需的电压从3伏降低到500毫伏，并预测应该可以将其降低到100毫伏——目前使用的CMOS晶体管所需电压的五分之一到十分之一。较低的电压意味着更少的能耗：将位从1切换为0的总能量将是CMOS所需能量的十分之一到三十分之一。下图可以看到这种器件的能量消耗和响应时间。可以看到开关能量消耗在1飞焦到0.1阿焦(10^-18)之间，而响应时间则维持在了100ps左右。这些参数显示了这种新型器件优异的性能。

物联网和人工智能

物联网和人工智能的发展迫切需要更高效的计算机。美国能源部预计，随着计算机芯片产业在未来几十年内将扩大到数万亿美元，计算机能耗将从目前美国所有能源消耗量的3％猛增至20％，几乎与今天的运输部门的能耗一样多。如果没有更节能的晶体管，物联网的发展将会大大受阻。如果没有新的科学技术，美国在制造计算机芯片方面的领先优势可能会被其他国家的半导体制造商所取代。

由于机器学习，人工智能和物联网技术的发展，未来的家庭、汽车和产业的制造能力将焕然一新。但使用现有技术能源消耗巨大，MESO的发现将有助于改变这一现状。这种新型的器件将有助于继续增加微器件的能量密度降低操作电压，并持续增加逻辑电路的密度改善微小器件的电抗性能。这种新材料将开启超越CMOS计算器件的新时代，集合非易失性和低功耗的特性，MESO逻辑器件将有可能带来新的计算架构。