导读
近日，美国英特尔公司与加州大学伯克利分校的研究人员们在自旋电子学领域取得进展，正在设法超越现有晶体管技术，并为未来新型内存与逻辑电路预备道路。未来，这些新型内存与逻辑电路有望用于这个星球上的每一台计算机。
背景
1947年，美国贝尔实验室正式成功演示了第一个基于锗半导体的具有放大功能的点接触式晶体管，标志着现代半导体产业的诞生与信息时代的开始。晶体管被誉为20世纪最重要的发明之一。
什么是晶体管？
晶体管，是一种固态半导体器件，具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能，通常用作放大器与电控开关。我们日常生活中使用的各种电子产品，例如手机、家电、汽车、超级计算机等，都离不开晶体管。
集成电路技术出现之后，数量庞大的晶体管能够被封装到一片指甲盖大小的芯片之中。这种晶体管由源极、漏极以及位于它们之间的栅极所组成，电流从源极流入漏极，栅极则起到控制电流开关的作用。通俗地说，晶体管能够在半导体内移动电子，并将它们存储为“二进制比特”：0和1。
半导体行业中著名的“摩尔定律”曾指出：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。
过去几十年来，半导体行业发展的实践证明：摩尔定律是准确且稳定的。然而，随着半导体技术不断进步，晶体管尺寸在不断缩小，芯片制程在不断改进，从28纳米到22纳米、16纳米、14纳米，再到如今最先进的7纳米、5纳米。因此，单颗芯片上可容纳的晶体管数目不断增多，如今最先进的芯片上可容纳的晶体管数目已达几十亿，甚至上百亿。
不幸的是，近些年来，芯片上的晶体管尺寸缩小与数量增加的速度正在放缓，技术上遭遇到了瓶颈。换句话说，摩尔定律正面临失效。
这种情况为什么会出现？
简单说，5纳米堪称晶体管的物理极限，一旦低于5纳米，电子的行为将受到量子不确定性的限制，晶体管中的电子很容易产生隧穿效应，晶体管将变得不再可靠，芯片的制造会面临巨大挑战。
在所谓的“后摩尔时代”，世界各国的科学家们都在积极探索与开发各式各样的新技术、新工艺、新材料。之前，笔者在多篇文章中都介绍过相关的科研案例。其中，有一个领域潜力非常巨大，也颇受关注，它就是“自旋电子学(Spintronics)”。
什么是自旋电子学？
自旋电子学，也称磁电子学，是一门新兴的学科与技术。它利用了电子的自旋和磁矩，使固体器件中除电荷输运外，还加入电子的自旋和磁矩。
众所周知，电子有两个非常重要的属性：电荷与自旋。现代微电子技术往往都是利用电子的电荷属性，却忽视了电子的自旋属性。
电子携带电荷，电荷定向移动形成电流。传统的电子计算机，一般都是通过电子器件和导线之间的电流，传输与处理数据信息。然而，电流遇到电阻会产生热量，而热量会影响电子器件的性能。
然而，自旋电子器件依赖于电子的另外一个特性：自旋。自旋电子材料可以通过“向上”或者“向下”的电子自旋方向（就像条形磁铁的南北极一样）将二进制数据记录于材料中。
因此，自旋电子器件有望解决现代电子计算机所面临的两大主要问题：“耗电多”和“发热多”。相比于传统的电子器件，自旋电子器件耗电更少，发热也更少。自旋电子计算机在内存中保持数据所需的能量几乎为零，它也可以瞬间启动，将比现今的计算机强大许多倍。
自旋电子学为我们带来许多新应用，例如：硬盘磁头、磁性随机内存、自旋场发射晶体管、自旋发光二极管等等。自旋电子器件与传统微电子器件相比，优势在于存储密度高、能耗低、响应快等。
荷兰格罗宁根大学开发的基于磁振子的自旋晶体管（图片来源：L. Cornelissen）
美国德克萨斯大学达拉斯分校开发的全碳自旋逻辑器件（图片来源：参考资料【3】）
创新
近日，美国英特尔公司与加州大学伯克利分校的研究人员们在自旋电子学领域取得进展，正在设法超越现有晶体管技术，并为未来新型内存与逻辑电路预备道路。未来，这些新型内存与逻辑电路有望用于这个星球上的每一台计算机。
12月3日，在一篇在线发表于《自然（Nature）》期刊的论文中，研究人员们提出了一种将新型材料（多铁性材料与拓扑材料）转化为逻辑与存储器件的方法。这些逻辑与存储器件的能量效率，是现有微处理器“可预见提升”的10倍至100倍。现有的微处理器大多基于 CMOS（互补金属氧化物半导体）技术。
与 CMOS 技术相比，“磁电自旋轨道”（magneto-electric spin-orbit），或简称“MESO”器件，在同样的空间中，可进行五倍以上的逻辑运算，并且延续了朝着“单位面积更多计算”发展的趋势，这也是摩尔定律的核心原则。
MESO器件示意图（图片来源：英特尔）
在新型 MESO 器件中，多铁性材料中的“向上"与"向下”的磁自旋状态可代表二进制比特信息，也可用于逻辑运算。2001年，加州大学伯克利分校材料科学与工程系以及物理系教授、这篇论文高级作者之一的 Ramamoorthy Ramesh 率先创造出了多铁性材料。Ramesh 也是美国劳伦斯伯克利国家实验室的科学家。
更早些时候发表在《科学进展（Science Advances）》期刊上的另一篇论文中，加州大学伯克利分校与英特尔的科研人员采用磁电材料铋铁氧化物（BiFeO3），实验性地演示了电压控制的磁开关，这也是 MESO 的关键需求。
MESO 由英特尔的科学家们发明，而位于美国俄勒冈州希尔斯伯勒的英特尔元器件研究小组 MESO 项目硬件开发领头人、论文领导作者 Sasikanth Manipatruni 设计出了首个 MESO 器件。Manipatruni 将磁电材料与自旋轨道材料的功能结合起来提出了 MESO。
八年前，论文合著者之一、加州大学伯克利分校博士生 Ian Young 与 Manipatruni 以及 Dmitri Nikonov 一起在英特尔成立了一个小组，研究晶体管的替代方案。五年前，他们开始专注于多铁性材料与自旋轨道材料，它们也被称为具有独特量子特性的“拓扑”材料。
技术
多铁性材料，是指材料中的原子展示出一种以上的“聚集状态”，是一种集电与磁性能于一身的多功能材料。例如，在铁磁体中，材料中所有铁原子的磁矩都是对齐的，从而产生永磁体。在铁电材料中，从另外一方面说，原子的正电荷与负电荷是相互抵消的，从而创造出电偶极子，电偶极子在材料中对齐，创造出永久的电偶极矩。
为了让大家更好地理解多铁性材料，先来回顾过去介绍过的一个科研案例，即美国康奈尔大学开发的一种新型“磁电多铁性”材料。为了研发这种新材料，研究人员开始使用了原子级精准的六边形镥铁氧化物（LuFeO3）薄膜。这种镥铁氧化物薄膜具有健壮的铁电性，可惜却没有强烈的磁性。镥铁氧化物由氧化镥和氧化铁交替构成。研究人员采用了“分子束外延”技术，为每10个原子额外增加了一层氧化铁，重复“单到单”（single-single）的单层模式。
每十个原子额外插入一层铁原子以改变磁性。镥原子锯齿状外表是由原子褶皱引起的。（图片来源：康奈尔大学）
然而，MESO 的基础也是一种多铁性材料，即由铋、铁、氧组成的铋铁氧化物（BiFeO3）。它不但具有磁性，还具有铁电性。Ramesh 表示，这种材料的关键优点在于：这两种状态（磁性与铁电性）是关联的，或者说是耦合的。因此，改变一个状态将影响另一个状态。通过操控电场，你可以改变磁状态，这对于 MESO 来说至关重要。
铋铁氧化物多铁性材料的单晶体结构。铋原子（蓝色）在立方体的每个面上与氧原子（黄色）形成立方体晶格，而铁原子（灰色）处于靠近中心的位置。稍微偏离中心的铁与氧相互作用形成电偶极子（P），它与原子（M）的磁自旋耦合。因此，通过电场（E）能翻转偶极子，从而翻转磁矩。材料中原子的共同磁自旋可对二进制比特信息0与1进行编码，从而实现信息存储与逻辑运算。
MESO 的逻辑转导与器件操作（参考资料【5】）
MESO 逻辑器件的运算机制（参考资料【5】）
MESO 器件的能量与延时（参考资料【5】）
MESO 器件的性能与面积与先进的CMOS器件和主要的“超越CMOS”的器件相比（参考资料【5】）
在快速开发具有“自旋-轨道效应”的拓扑材料的过程中，研究人员取得了关键性突破。所谓的自旋-轨道效应，也称“自旋-轨道耦合”。最著名的例子是电子能级的位移。电子移动经过原子核的电场时，会产生电磁作用。电子的自旋与这电磁作用的耦合，形成了自旋-轨道作用。
在这项研究中，自旋轨道效应使得多铁性状态能被有效地读出。在 MESO 器件中，电场能够改变或翻转贯穿材料的偶极电场，偶极电场能够改变或者翻转电子的自旋，电子的自旋会产生磁场。
MESO 器件的自旋轨道读数（参考资料【5】）
这种功能来源于自旋轨道耦合，即材料中的一种量子效应，它产生了由电子自旋方向决定的电流。近年来，国际上关于相关材料中自旋轨道耦合效应的报道越来越多，例如：自旋霍尔效应、自旋场效应晶体管、低损耗自旋、自旋量子计算等。
价值
在《自然（Nature）》期刊的论文中，研究人员们报告称，他们将多铁性材料磁电开关所需的电压从3伏降低至500毫伏，并且预测这个电压有望降低至100毫伏：现今使用的 CMOS 晶体管所需电压的五分之一到十分之一。低电压意味着低能耗：将一个比特从1切换到0所需的总能量仅相当于 CMOS 技术所需能量的十分之一到三十分之一。
Young 表示：“在超越 CMOS 技术的时代，我们正在寻找革命性而非改良性的计算方案。MESO 建立在低电压互联与低电压磁电的基础上，将量子材料的创新带到了计算机领域。”
高度自动化的无人驾驶汽车与无人机等技术，都要求“计算能力强大”、“能耗少”，也要求计算机提升每秒运算次数。然而，这种新型器件将有助于这些技术的发展。
Manipatruni 表示：“随着 CMOS 技术已经发展到成熟，从根本上说我们将会拥有非常强大的技术选项。在某些方面，这种选项将为又一整代人持续提升计算能力。”
Ramesh 表示：“这项研究表明，你可以对这些多铁性材料施加电压，改变它们的磁序。但是对于我来说，‘我们能用这些多铁性材料做什么？’一直是一个大问题。MESO 填补了这一空缺，提供了一条计算演进的道路。”
Manipatruni 表示：“实现这些新型计算器件与架构需要开发一系列关键技术。我们正在尝试在工业与学术领域发起新一波的创新，来研究下一个‘类似晶体管’的方案应该是什么样的。”
人类迫切地需要能效更高的计算机。美国能源部表示，随着未来几十年内计算机芯片工业的规模有望扩增至数万亿美元，计算机的能耗会从现今全美国能耗的3%猛增至20%，几乎等同于如今美国交通部门的总能耗。更高能效的晶体管的“缺失”，将妨碍计算机集成到“万物”（也称为“物联网”）之中。Ramesh 还表示，没有新科技，美国在制造计算机芯片的领导地位也将被其他国家的半导体制造商所取代。
Ramesh 表示：“由于机器学习、人工智能与物联网的发展，未来的家居、汽车、制造能力都会变得大不一样。如果我们只采用现有技术，不进行新的探索，那么能耗将变得非常大。我们需要基于科学的新突破。”
关键字
晶体管、自旋电子学、量子技术、多铁性材料、半导体
【1】https://news.berkeley.edu/2018/12/03/new-quantum-materials-could-take-computers-beyond-the-semiconductor-era/
【2】S. Y. Bodnar et al., Writing and reading antiferromagnetic Mn2Au by Néel spin-orbit torques and large anisotropic magnetoresistance, Nature Communications 9, 24 January 2018, DOI:10.1038/s41467-017-02780-x
【3】Joseph S. Friedman et al, Cascaded spintronic logic with low-dimensional carbon, Nature Communications (2017). DOI: 10.1038/ncomms15635
【4】Julia A. Mundy, Charles M. Brooks, Megan E. Holtz, Jarrett A. Moyer, Hena Das, Alejandro F. Rébola, John T. Heron, James D. Clarkson, Steven M. Disseler, Zhiqi Liu, Alan Farhan, Rainer Held, Robert Hovden, Elliot Padgett, Qingyun Mao, Hanjong Paik, Rajiv Misra, Lena F. Kourkoutis, Elke Arenholz, Andreas Scholl, Julie A. Borchers, William D. Ratcliff, Ramamoorthy Ramesh, Craig J. Fennie, Peter Schiffer, David A. Muller, Darrell G. Schlom. Atomically engineered ferroic layers yield a room-temperature magnetoelectric multiferroic. Nature, 2016; 537 (7621): 523 DOI: 10.1038/nature19343
【5】https://www.nature.com/articles/s41586-018-0770-2
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