为摩尔定律续命? 自旋电子技术超级芯片尚需完善

1965年,英特尔公司的共同创始人戈登·摩尔发布了被奉为“信息技术第一法则”的摩尔定律。该定律指出,集成电路上可容纳的元器件数目每18个月约翻1倍。在过去的半个多世纪里,摩尔定律为半导体工业的发展节奏设定了基本步调。自摩尔定律提出以来,不论是从单个芯片晶体管数目角度,还是从微处理器芯片、半导体存储器以及系统软件角度来考察,摩尔定律的预言与现实都惊人地吻合。

可芯片上晶体管的尺寸不可能无限制地缩小下去,芯片单位面积上可集成的元器件数目会达到极限。因此,唱衰摩尔定律的声音也越来越盛,不断有人预测出该定律失效的时间,或许是10年,或许是15年。

前不久,英特尔公司和加州大学伯克利分校研究人员借助自旋电子(MESO)技术,研发出一种名为“磁电旋转轨道”的逻辑元件,可将常见芯片元器件尺寸缩至当前的1/5,同时可降低能耗超90%。有业内人士估计,科研人员可借助这一元件,研发出“超级芯片”,为摩尔定律“续命”。

那么,自旋电子技术到底是何方神圣?它真能让摩尔定律延续辉煌吗?

用自旋作信息载体,大幅降低能耗

“自旋电子技术,利用电子自旋作为信息载体,通过调控与操纵自旋,实现数据存储、逻辑运算等。”南开大学电子信息与光学工程学院副教授董红在接受科技日报记者采访时说。

电荷与自旋是电子的两个内禀属性。19世纪以来,人类开始调控电子的电荷属性,发展了以半导体为基础的微电子学,奠定了第三次产业革命的基础。

0和1,是计算机记录和存储的底层语言。传统电子器件依赖电荷产生这两个数字,而自旋电子器件则依赖自旋。

“就像条形磁铁的南北极一样,自旋电子材料可借助‘上’或‘下’的电子自旋将二进制数据记录在材料中。”天津大学微电子学院副院长、博士生导师徐江涛说。

“传统电子器件只是利用电子的电荷流动存储传输信息。自旋电子学器件在信息处理过程中,可只利用自旋作为传输载体,避免电荷的流动,从而大大降低能耗。”董红说。

“自旋电子器件工作时,产生的热量很少。与常见的电子器件相比,无须耗费更多的能源给器件散热,相对来说更省电。”徐江涛说,自旋电子器件未来有望解决现代电子计算机功耗大和散热难这两大难题。

运算速度更快,或取代传统器件

按照摩尔定律设定的节奏,在过去的几十年中,单位面积芯片上的元器件不断“瘦身”,但其尺寸不可能无限制地缩小下去。在现有技术条件下,晶体管最小可做到3纳米线宽。但目前大多数商业级别的应用,都停留在7纳米。

“这是逼近晶体管物理极限的宽度。”董红解释道,因为从物理定律来看,3纳米线宽几乎就是物理极限。

制约摩尔定律发展的核心因素是在物理方面,随着芯片尺寸的不断缩小,芯片产生的热量将会增加,对电路自身会造成危害;其次,由于芯片在生产过程中不可避免地混有杂质,而伴随着尺寸的缩小,杂质的密度就会增大,杂质的聚集将会影响导电性能,目前芯片中杂质含量已接近所能允许的极限。

此外,随着芯片尺寸的缩小,将发生电子漂移现象,晶体管会失去可靠性,可能无法控制电子的进出,从而无法制造出1和0。

董红表示,新闻中英特尔公司研发的新款元件由多铁材料制成,这使得其既具有磁性又具有铁电性。“这种材料的优势在于,磁性和铁电性这两种状态是相互联系或耦合的,改变一种就会影响另一种;通过控制电场状态,就能改变磁场状态。这也让其能有效避免电子漂移现象的出现,同时也提升了运算速度。”董红说。

摩尔定律中提到的“元器件”,主要是指CMOS晶体管,这也是目前主流的晶体管种类。

“MESO的逻辑运算速度比CMOS高5倍,这意味着,集成电路上单位面积晶体管计算能力还具备提升的潜力,摩尔定律还能够延续。”董红说,随着自旋电子技术的进步,用MESO技术制造出的晶体管未来或许能取代目前广泛使用的CMOS晶体管。运行速度更快、功耗更小的“超级芯片”有望为摩尔定律“加血续命”。

“万物互联时代,数据呈几何级增长,处理数据的能力和速度也应‘水涨船高’,因此需要性能更强、耗能更低的芯片。”徐江涛认为,目前在无人驾驶、智慧医疗等新兴领域,计算效率已成为亟待突破的关口。

“现有的半导体制造技术已不足以满足未来发展的需求,因此必须寻找新的替代技术,自旋电子就是‘后备军’之一。”徐江涛说。

尚处起步阶段,应用仍需时日

既环保又高效,自旋电子器件优点多多。如此看来,传统晶体管技术未来必将被这支“后备军”所取代。

然而,事情没有那么简单。

董红表示,截至目前,芯片厂商仍在固守旧路,努力研制接近线宽极值3纳米的晶体管,而鲜有考虑从其他路径进行颠覆性创新。

“其中一个重要的原因是,半导体产业不是一锤子买卖,不存在一个技术能包治百病、解决所有问题。”董红表示,“芯片厂商们更加希望有可持续多年的路线图,如同摩尔定律一样,引导产业持续获利。”

正因如此,英特尔公司在评估了25个不同的技术路线后,判断MESO在长期内具有持续迭代的可能,才最终确定了这种新型方案。

厂商们想要的是低投入、高产出,谁也不愿用真金白银去试错。“半导体芯片是一个需要高投入、规模效应的产业,投资周期长、风险大,大多数人不愿冒险。”董红说。

“目前,自旋电子技术尚处在起步阶段,离产业应用至少还有15年的时间。”董红说,“开发自旋电子器件,仍有几个技术瓶颈亟待突破。比如,在自旋电子材料中,生成和检测极度微小的电子自旋信号就是主要障碍之一。”

徐江涛也认为,由于涉及到器件设计、制备、优化等一系列、全行业的改变,MESO这种新型的构架走出实验室,走向大规模应用还需时日。

“若‘超级芯片’得到应用,将极大地降低计算功耗。但不排除在等待它降临的期间,会出现更优的技术路线,或更有利于芯片产业革新的技术方案。”徐江涛说,“不管采用哪种技术方案,毫无疑问,这将是一场技术革命,对芯片产业和计算机产业来说都将起到极大的推动作用。”

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