用纳米磁体建造超高能效计算机

谈到计算，我们可以很容易地将我们所使用的技术区分为两个不同类别：快速的电子器件和稳定的磁性元件。电子，快速移动且相互强烈作用，执行计算很理想；相比之下，磁铁并不以速度著称，但他们很难被扰动，使他们成为数据存储的完美介质。

但是这种区分可能很快消失。 多亏现代制造技术，我们现在可以创建纳米级磁性器件来执行计算。这些设备不像最新型的晶体管那么快，但它们开关所需的能源少得多。

Illustration:Emily Cooper

因为现代芯片消耗了太多电力，我们会需要这种设备。今天，仅仅在电路中保持数据所需的耗电——称为待机功率——正在迅速接近实际执行计算时的耗电。而基于磁铁的设备，不需要电力来保存状态，可以大大削减这一恒定功率消耗，这是使芯片进步难以为继的主要障碍之一。

逻辑器件能以许多方式使用磁铁。 我们在圣母大学的小组和其他一些人在研究最直接了当的方法之一：用小片磁性材料建立逻辑门电路和连线。这些“纳米磁铁”行为就和缩微条形磁铁一样。用它们制成的电路里，信息不是用电子从一个地方传到另一个地方；相反，它直接通过磁性吸引和排斥传送，它从一个磁铁移动到下一个时翻转南北磁极的极性，与一个非门电路翻转一个比特的逻辑状态是同样的方式。

我们已经示范了可以用这些纳米磁体建立简单电路，如加法器。现在，有了一种新的制造技术，我们开始考虑如何建造完全集成的逻辑芯片。虽然不太起眼，但这些成就清楚表明，这项技术有朝一日可能用来制造超低功耗芯片。我们预期在某些情况下，纳米磁体电路能使用十分之一甚至百分之一的功率而不会牺牲性能。这种能力对于传感器和显示屏电子器件、多核芯片硬件加速器，以及自主车辆的机器视觉系统等计算要求苛刻的应用会非常理想。

用磁性计算的想法并不新。早期的一些计算机实际上包含了铁基的磁芯，既用来存储信息也执行计算。但这种磁性逻辑技术基于导线串联的环形磁铁，太过笨重无法与日益紧凑的半导体技术竞争。

今天的磁性逻辑装配在小得多的规模上，而半导体行业正通过半导体研究公司资助大学研究来支持各种探索。

这些努力有很多是自旋电子学领域的一部分，研究人员利用电子的自旋，而不是其电荷，来传输和处理信息。自旋是一种与磁性相关的量子力学性质。加州大学洛杉矶分校Kang Wang领导的小组所探究的方案以通过磁性层材料传播的自旋波的形式传送信息(见2015年7月IEEE Spectrum“永不遗忘的计算机芯片”)。另一个方案，正在由普渡大学的Supriyo Datta和同事们研发，使用类似的脉冲载线连接磁性点。

我们的策略预期比上述两者能效更高，它基于一个简单的前提：制作非常小的磁性区域，使他们能够像条形磁铁一样彼此相互作用。这些相互作用能被利用来使电线传送信息，并构建可以执行计算的逻辑门。

这种方法的关键是小型化。在显微镜下看看一般的磁材料，你会发现它自然分为若干小片。在每个这种称为磁畴的小片内，，电子的自旋都指向同一个方向，磁化就是这种对齐方式导致的。然而，如果所有这些磁畴随机排列，材料的大块样品就不会有磁性——即各磁畴的北极如果指向不同方向，东拼西凑的随机朝向的磁畴就合力最小化了材料整体在磁化时锁住的能量。把所有的磁畴对齐创造出永久磁体需要很多能量，而要改变这个磁体的极性需要的能量则更多。

Images: Edit Varga/University of Notre Dame (5)
椭圆形纳米磁体的磁场自然倾向于沿着较长，或“容易”的轴向[左上图]。导线可以用两种方式构建。一种是通过并排排列磁体[中图]，它们的磁化方向倾向交替。另一种是端到端的[右图]，所有的磁化趋于指向同一方向，所有的箭头指向北方。

今天，我们在普通硬盘驱动器中使用类似的可翻转缩微纳米磁体存储信息。在发展中的磁性RAM技术中也能找到它们。在这两种情况下，我们不希望磁性比特彼此相互作用；这种相互作用可能会损坏你想要存储的数据。但在建造纳米逻辑电路时，这些相互作用正是你要连接设备并使其执行计算所需要的。

我们在纳米磁体逻辑上的工作是从我们在九十年代做的量子点研究上成长起来的。我们最初的想法是尝试使用量子点阵列建造计算机，这是一些小块半导体，电子在其中被局限在如此之小的空间里，以致于它们表现出跟在原子里相同的量子行为。邻近的点会用库仑力而不是导线传递信息，吸引相反电荷而排斥相同电荷。我们发现这些物理交互可以用在适当构造的阵列中执行逻辑操作，但我们遇到了技术限制，部分是由于在构建量子点时很难控制尺寸偏差。

我们早就意识到，使用磁性点可能是很好的替代——它们稳定得多、更容易制作，并能在室温下运作。在本世纪初，跟随Russell Cowburn的一些初步工作，我们在英格兰剑桥大学开始模拟，然后用设备进行试验。

我们从用镍铁混合物制作磁性点开始。我们将其做成椭圆形，在一个方向上拉伸他们，赋予每个磁铁首选的南北轴线。但我们限制了伸长率，从而最少化翻转在二进制逻辑中代表零和一的朝向所需的能量。

mages:Stephan Breitkreutz-v. Gamm/Technical University of Munich (5)
用磁体投票：四个或五个纳米磁体可以排列成一个关键电路元件：多数逻辑门。该门输出大多数输入的状态——或者这种情况下，该状态的逆。例如，三个1将产生0。 注意该门是用面外磁化的纳米磁体建造——更多关于此设计见文章最后部分。

像条形磁铁一样，每个纳米磁体都有“边缘场”——从磁体延伸出长距离的磁场。如果我们把纳米磁体放置得足够接近，我们可以使用一个磁体的磁场影响附近的各磁体，并建立可以把磁性信息从一个磁体传递到下一个的逻辑电路。

要了解这种纳米磁体逻辑将如何工作，一定要记住最基本的磁性规则：同极相斥，异性相吸。因此，就像条形磁铁一样，两个端对端放置的纳米磁体自然会倾向于将其北极指向相同方向，这样一个的北极能最接近另一个的南极。而如果并排放置两个纳米磁体，使它们的长轴平行，他们的北极则将指向相反方向，使每个磁极与相反极性最接近。这第二种配置，即反铁磁耦合，实际上可以被认为是一种基本电路元件：非门。一个纳米磁体作为输入，另一个作为输出，翻转信息的状态。

逆变器是个不错的开始，但要执行有用的逻辑操作，你也需要与门和或门。我们在2006年报告了一个称为三输入多数逻辑门的二阶逻辑单元的概念验证演示，它可用于建造其他两种门电路。多数门采纳其输入状态的大多数，建造他的一个方法是十字形排列的五个纳米磁体，一个中心点被其它四个包围。其中三点作为输入，中心点则通过自然地将其磁化与其它多数的自旋对齐来“计算”出大多数，第五个点把结果送出装置。

你需要用来连接逻辑门的导线，这些可以通过把纳米磁体简单地端对端或并排排列来构造。信息可以在这些配置任何一种中传播，一路翻转自旋——有点像倒下的多米诺骨牌。(在并排配置中，你当然需要确保有奇数个数的纳米磁体，这样信息在导线末端能保留开始时的相同状态。)

基本原理相当直观。 但你可能已经注意到有一个问题。不像多米诺骨牌，在第一块骨牌倒下后全都倒向同一方向，一排纳米磁体并没有任何内禀属性决定信息流向哪个方向。一排纳米磁体中的一个会受到左右两侧磁体的同等影响。如果我们不能可靠控制计算方向，我们的计算机就会有很高的错误率。为了弥补这种计算方向的内在对称性，我们需要添加一些时钟电路——这稍后再说。

纳米磁体有一些很好的属性。 它们先天对辐射不敏感，它们可以几乎无限地开关而不老化，，而且它们是非易失性的，在不开关时不需要能源来保持数据。

同时，就现代晶体管标准来说它们非常缓慢，到顶也只有传统晶体管百分之一的速度。这意味着纳米磁体逻辑可能永远达不到千兆赫的速度。但节能潜力仍使它成为许多不需要这样速度的应用的一个有吸引力的替代。

移动信息

为了开始一个自旋翻转链，首先用强磁场翻转磁体1。

磁体2起初朝下，必须向上翻转以将信息向右传递。磁体1的磁场强度本身不够这样做。因此来自导线或称时钟的磁场首先用来把磁体2的磁化拉到亚稳态的“难”轴。

磁铁2现在可以放松进入一个新的稳态。但尚不清楚它会落向哪个方向；磁体1的磁场会使它朝上，而磁体3的磁场会使它返回到朝下状态。为确保磁体2受到磁体1的更强影响，磁体3也被时钟磁化。

当时钟信号从磁体2移除，它将放松进入向上状态，把信息向右推进。磁铁4现在被时钟磁化，保持信息继续流动。

控制每个纳米磁体需要每个设备都有时钟电路，这将是小型化的挑战。实践中，一行纳米磁体可能成组使用时钟。例如，一条导线可以一次控制半打纳米磁体。结果会更容易出错，但更容易制造。
Illustrations: Erik Vrielink

能源优势大部分在于电路层级。由于纳米磁体执行逻辑操作的相互作用方式，把两个1比特数字相加所需的磁体可以少至5个，相比之下，用硅建造类似的加法器可能需要20到30个晶体管。

我们在2011年示范了我们可以把多数逻辑门、非门、以及基于纳米磁体的导线组合起来创建第一个基于纳米磁体的完全电路：一个有功能的1比特全加器。而且部分归功于与IBM和DARPA合作完成的工作，我们有信心可以使用磁性RAM技术把纳米磁体电路连接到外部世界。这是因为这些纳米磁体除了形状不同，与这些内存芯片上使用的磁位并没有多少不同，而它们已经找到进入商业化生产的方法。

但即使在早期，我们已意识到我们建造的任何纳米磁体计算机取决于其时钟。正如先前提到的，我们需要时钟电路保持计算朝正确方向前进，我们还需要一个时钟使纳米磁体可靠地翻转。因为磁铁非常稳定——这也正是他们通常用于数据存储的原因——翻转它们往往是最棘手的部分。就其本身而言，一个磁点周围的边缘场强度不足以可靠地引发相邻磁体的180度翻转。

时钟信号可以帮助纳米磁体翻转。它可以用附近导线这样简单的东西来创建，当它携带电流时将在纳米磁体附近产生额外的磁场。为了理解这种时钟的运作方式，想象一个椭圆纳米磁体。如前所述，它的自然状态是沿其长轴磁化。如果我们使用添加的导线施加一个附加磁场，称为翻转磁场，我们可以将纳米磁体的磁化旋转90度，变成所谓的“困难”轴，即两个轴中较短者。这是纳米磁体的一个不稳定状态，当撤除翻转磁场，磁化就开始弹回沿着较长的“容易”轴的两个方向之一。当它开始这样做时，来自邻近磁体的边缘场将决定它倒向哪个方向。

为确保纳米磁体在做出转变时只受到正确邻居的影响，时钟电路也可以用来拉动附近不应该施加影响的纳米磁体——信息流动下游的那些磁体——进入相同的90度状态。在这个朝向他们无法影响相邻纳米磁体的翻转方向。

我们在2012年用铜线建造了这种时钟系统，铜线侧面和底部包裹了铁磁材料以帮助聚集磁场。我们示范了当导线通过电流时，确实可以用磁场翻转纳米磁体。

这个方案的缺点是导线是一种相对能源密集型的时钟手段。他们耗散很多热量并发出未聚焦的磁场，即使是有包覆。但结果发现，单一的时钟线能控制许多平行的磁体。如果一个纳米磁体电路具有足够多的设备——比如10万个左右——每个设备所需的时钟能量将可低至可以接受。不过像平常一样，会有一个权衡。由相同时钟控制的设备越多，你对个别设备的控制就越少，而这将转化为更高的错误率。

Images:Top: Edit Varga/University of Notre Dame/IEEE (2); Bottom: StephanBreitkreutz-v. Gamm/Technical University of Munich
两个加法器的故事：纳米磁体电路，如这里显示的加法器，可以用两种方法制造。一种方法[上图]建立二维纳米磁体，其磁化在基底平面内。另一种方法[下图]可能证明更容易在大型电路设计中实现，它从许多薄层沉积建造纳米磁体。在这种情况下，磁化指向基底平面以外。

我们在圣母院大学的最初工作一直基于磁性薄膜材料中的磁点图案。在芯片平面中，每个纳米磁体是一个二维椭圆形。但使用这种方法我们遇到一个棘手的电路设计限制。要充分利用芯片上的空间，你必须找到一种方法来建造充满全部二维表面的电路，因此可以在x和y两个方向上传递信息。

这样做最简单易行的办法是把芯片上的所有磁体都做成一样，因此它们的磁化都指向相同轴线。为便于讨论，就说是y轴， 所有纳米磁铁将在该方向被拉长。但沿y轴传递信息的磁体必须端到端串联，而那些沿x方向传递信息的则必须并排排列。

这种双重安排使电路设计相当复杂。这两种纳米磁体配置的翻转行为不同，结果，取决于在x或y方向上传递，信号将以不同速度传递，使得信号的同步比传统的硅电路更复杂。

为了规避此限制， 2009年我们开始与慕尼黑技术大学由Doris Schmitt-Landsiedel和Paolo Lugli领导的小组合作。Schmitt-Landsiedel的团队率先建造了纳米磁体逻辑器件，把它们的容易轴全都朝芯片平面外对齐。该团队用钴和铂等元素的多重交替层而不是小片材料构造出磁体。这些层之间的接口被垂直磁化，形成实质上是立在一头上的条形磁铁，垂直于芯片平面。

该过程始于沉积薄膜，然后用聚焦离子束装置造出图案。离子束击中之处摧毁材料间的干净界面，因此可用来在光滑的薄膜上形成单独的小岛，它们小到足以表现出单磁畴的行为。慕尼黑小组最近建成了与我们组用平面内纳米磁体所示范的同类的逻辑门和加法器。

令人鼓舞的是，面外设计为新的时钟方式提供了机会。2013底由加州大学伯克利分校Sayeef Salahuddin领导的团队表明，面外纳米磁体可以用放置在它们下方的一张磁性材料来做时钟。由于称为自旋霍尔效应的原理，有特定自旋的电子能被聚集在纳米磁体下方，创造出一个可以改变其方向的磁场。在电路层级，这种方法可能比使用通电导线作时钟的能源效率高几百倍甚至几千倍。

对于高效计算机的前景这的确是非常好的消息。我们期望纳米磁体尤其有用的一个应用是数据密集型、高吞吐量的应用程序，如滤波、多项式求值和离散傅立叶变换。这类计算构成图像和信号处理的主干，可以通过流水线执行大大加速。这种策略使计算尽可能并行运行，已计算的数据块被保存，直到整个计算过程可以进行到下一步。在普通电脑里，这种方法需要添加额外的电路来积极地保持这些数据，增加由芯片消耗的能量。但纳米磁铁会自然地保持状态，直到被改变，它们将被动地保留数据，直到准备使用。

我们什么时候能在芯片里看到这项技术？ 我们中那些追求新奇计算设备的人现正处于一个尴尬的地位。任何这样的技术必须与数十年来一直不断优化的硅片竞争系统。纳米磁体逻辑——或任何未来逻辑——的成功，将取决于各种因素，而不只是技术一项。

但是在某个时候，很可能对更节能电路的需要将胜过硅片的便利。当这发生时，磁性逻辑的时刻终将来到。

原文发布时间为：2015-09-02