英特尔“自旋电子学”最新成果:芯片尺寸可缩小1/5,兼顾能耗降低

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英特尔“自旋电子学”最新成果:芯片尺寸可缩小1/5,兼顾能耗降低
麻省理工科技评论 2018-12-08

2018-12-08

英特尔“自旋电子学”最新成果:芯片尺寸可缩小1/5,兼顾能耗降低
芯片 物理
英特尔“自旋电子学”最新成果:芯片尺寸可缩小1/5,兼顾能耗降低

近日,英特尔公司和加州大学伯克利分校的研究者在 Nature 上发表了他们研究的新型半导体器件,适用于逻辑门电路和存储电路。

这是一种具有创新意义的半导体器件,甚至有人大胆断言它将有望取代 CMOS 成为应用最广泛的半导体器件。

这篇名为“Scalable energy-efficient magnetoelectric spin–orbit logic”的文章中,研究者向大家介绍了一种将两种新材料——多铁性材料(multiferroics)、拓扑材料(topological materials)——应用于制作新型逻辑器件和存储器件的方法。

新型的器件有个响亮的名字:MESO(Magneto-Electric Spin-Orbit),其中的两个词组分别代表多铁性材料和拓扑材料的独特性质。MESO 将能用于制作微处理器,正如文章题目所说,它带来的好处有两方面:“高集成(Scalable)”以及“高能效(Energy-efficient)”。

相比于传统 CMOS 集成的微处理器,采用 MESO 的微处理器能效可以得到显著增强,大约将提升 10 倍至 100 倍;另一方面,器件的尺寸是 CMOS 器件的五分之一,这也意味着 MESO 一旦能成功应用与微处理器的制造,其尺寸也将大大缩小,而这样的新型器件将是延续摩尔定律的不二之选。

文章的作者在总结团队的作品时说道:“我们在寻找的是具有革命性而非进化性的超越 CMOS(Beyond CMOS)的解决方案。MESO 是基于低电压连接和低电压电磁效应设计的器件,它将量子材料的创新带到了计算科学中。”

CMOS 为何物?为什么要以 CMOS 为目标赶超呢?因为我们现在使用的大多数电子产品都和 CMOS 有关,例如单反相机中的 CMOS 图像传感器、电脑中的 CPU。而摩尔定律也告诉我们:“半导体芯片中可容纳的晶体管数目,约 18 个月增加一倍”,在逻辑电路中,晶体管数目和 CMOS 或者说 CMOS 技术息息相关。

曾经浙大电气的学子写过一封三行情书:

一开始,我们是普通的 NMOS 和 PMOS

我擅自用喜欢将你沉溺在 N 阱中

慢慢地,我们从 MOS 变成紧紧相连的 CMOS

图 | CMOS 反相器结构

这其中的 CMOS 是“互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor)”的简称,如情书中写到那样,最简单的 CMOS 由一个 NMOS 晶体管和一个 PMOS 晶体管组成。由于材料的不同,PMOS 需要“沉溺”在 N 型硅材料——也就是“N 阱(n-well)”中。这样二者才能紧紧相连,成为一个反相器(inverter),是逻辑电路和存储电路的基础单元,由此我们可以生产我们日常生活中要用到的电子设备,例如一台家用计算机。可以说,硅基 CMOS 是自 1980 年来逻辑电路出现以来最为基础也最为关键的发明了。

然而,对于逻辑电路来说,能源是很大的问题。

拿逻辑电路中最基本的门电路来说,开关一次就会有一部分能量消耗,即使单次的能源消耗不是很大,开关次数增加之后,这个能耗就变得相当可观了,例如,我们如今最先进的超级计算机每秒能运行 33 亿 9000 万亿次的浮点运算,任何数字乘以这个巨大的计算频率也称得上是天文数字了。

特别地,在当今的世界是一个计算机和数据的时代,数据爆棚带来的不仅仅是“数据改变生活”的格局,也带来了“更高效的计算机”的需求。简单而言,就是我们现在都需要高速运算的计算机了,例如时下火热的“人工智能”、无人驾驶汽车和无人机等,它们需求的计算机运算速率是真的“与时俱进”,要求越来越快。

那么只要一次开关时间消耗的能量减小哪怕一点点,都是很可观的提升。

英特尔公司和加州大学伯克利分校的研究者就是从这里出发,寻找能降低能耗的半导体材料和器件。他们瞄准了 2001 年由加州大学伯克利分校Ramamoorthy·Ramesh 教授开发的 MESO 器件。Ramesh 教授的研究方向为材料科学及工程物理,他也是该文章的主要作者之一。

图 | 铁酸铋的磁性和铁电性:铁酸铋是具有单晶结构的多铁性材料。铋原子(蓝色)和氧原子(黄色)一同构成了晶格结构,在接近其中心处有一个铁原子(灰色)。偏离中心的铁原子会和氧原子一同形成偶极矩(表示为绿色箭头 P)。这是铁酸铋的铁电性,与原子的磁性(表示为红色箭头 M)耦合,即改变电场方向则也会改变磁性。这样的性质能够用来编码成为“0”和“1”,适用于信息的存储和逻辑处理。

谈起 MESO 器件的主要技术,Ramesh 教授表示这是“两种材料结合成的一种器件”,两种材料自然指的是多铁性材料和拓扑材料,这两种材料有着十分独特的性质:多铁性材料本身具有磁性和铁电性,即具有永久磁场方向以及偶极矩的方向,并且磁场和偶极矩方向是有紧密联系的,例如文章中采用的铁酸铋(BiFeO3)。

简单地说,我们可以通过改变施加在多铁性材料的电场方向来改变其内部的磁场方向,并通过自旋轨道耦合效应(spin orbit coupling)进一步改变材料中电子自旋的方向。另一方面,文章中采用的拓扑材料是有关电子自旋方向的,会根据电子的自旋选择性通过具有特定自旋方向的电子。

那么 MESO 器件的结构就比较直观了,是一个多层的器件结构,多铁性材料被放在了一端,能使我们通过改变电压改变材料中电子的自旋方向;拓扑材料在器件的中间,充当电子的传输通道,这样的通道只允许特定自旋方向的电子通过。

图 | MESO 器件结构(来源:此次论文)

利用这样的特性,MESO 能将 CMOS 逻辑电路和存储电路中的工作电压由 3 伏降低至 500 毫伏,Ramesh 教授甚至还大胆预测 MESO 的工作电压最小能到达 100 毫伏。更低的电压就意味着更小的功耗,而 MESO 的功耗将是 CMOS 器件的十分之一甚至三十分之一。

而更低的电压也为低电压互连技术(Low-voltage charge interconnects)的提供支持。在缩小芯片尺寸的道路上,并不只有缩小器件尺寸这一条路,缩小器件之间互连的尺寸也能提供相当可观的集成效果。互连其实就是集成电路中各器件之间的导电连接,CMOS 器件一直无法突破互连 20nm 的大关。而利用 MESO 器件,能够使得逻辑电路的互连下降至 10nm 以下,这也是使用 MESO 器件能够使得芯片尺寸缩小 5 倍的技术核心之一。

谈及 MESO 的应用,Ramesh 教授表示:“在机器学习、人工智能以及物联网的飞速发展背景下,未来的居家、汽车和制造技术都将日新月异。”这些技术都将依赖于新一代的计算机技术,更高效更节能的计算机的需求已经迫在眉睫,MESO 的出现正好符合时代背景。

“beyond Moore’s Law”已经讲了太久了,传说中能取代硅或者打破材料物理极限的新器件结构层出不穷,不管是 MESO 还是之前吵得火热的二维材料。如今硅基的 CMOS 仍然是市场的主流。

硅基材料在工艺制造以及材料来源方面的优势太大了,其他的材料和器件短时间还无法完全取代它的霸主地位,毕竟实验室的产品终究是实验室的产品,工艺制造以及商业应用又是另外一个故事了。

在应用前,实验室的产物始终是“Fancy”的,如果不能应用那么就成为了历史,不过一旦能广泛应用也就创造了历史。

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