IMEC和英特尔携手开发一款新器件替代CMOS

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这种低功耗的设备完全依靠电流运行，比依靠磁场的竞争对手更上一层楼。

Photo: IMEC

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旋电子学是超越CMOS的未来探索的萌芽之路。今天的电子器件利用的是电子的电荷，而自旋电子学则利用了另一个关键特性：电子的自旋，即电子固有的角动量，它指向“上”或“下”。自旋电子学器件比CMOS器件功耗小得多，即使在器件关闭时也能保存数据。

自旋已经在存储器中使用，例如磁阻RAM（MRAM）。然而，为了执行逻辑运算而操纵微小的磁效应更为困难。例如，2018年，麻省理工学院的研究人员用氢离子作为自旋晶体管的可能基础进行了实验。他们的努力是非常基础的；研究小组承认，要研制出一种能够存储和处理信息的功能齐全的自旋晶体管，还有很长的路要走。

现在，imec和英特尔的研究人员已经发明了一种自旋电子逻辑器件，它可以完全由电流而不是磁场来控制。博士生Eline Raymenants在最近的IEEE国际电子设备会议（International Electron Devices Meeting，IEDM）上介绍了该团队的工作。

电子的自旋产生磁矩。当许多自旋相同的电子靠得很近时，它们的磁矩就可以对齐并合力形成一个更大的磁场。这样的区域称为磁畴，磁畴之间的边界称为畴壁。一种材料可以由许多这样的畴和畴壁组成，像磁化马赛克一样组装起来。

设备可以对这些域中的0和1进行编码。指向“向上”的域可以表示0，其中“向下”表示1。imec和英特尔所研发的设备使用放置在纳米级导线的单个文件行中的域。然后，该装置利用电流沿着电线移动这些区域及其墙壁，就像火车轨道上的汽车一样。

轨道在磁性隧道接头（magnetic tunnel junction，MTJ）处与道岔相接。它类似于现在硬盘的读磁头，但是研究人员已经实现了一种新型的MTJ，这种MTJ经过优化，可以更快地移动域壁。MTJ从磁道读取信息并作为逻辑输入。

同样的MTJ也是将信息写入轨道的地方。为了做到这一点，imec-英特尔设备使用的技术与当今MRAM中使用的技术相同。该装置通过一个自旋极化电流，其中大多数电子在一个方向上有自旋，通过一个磁畴。这种电流可以重新调整磁场的方向，在这个过程中创建或编辑畴壁。

它类似于racetrack存储器，这是十年前首次提出的一种实验性数据存储形式。racetrack存储器还将信息写入magnetic domains ，并使用电流沿纳米线或“racetrack”将这些magnetic domains穿梭（shuttle）。但是，imec-英特尔设备利用了材料方面的优势，使domain walks可以更快地沿线向下移动。研究人员说，这是允许逻辑的关键。

imec研究员Van Dai Nguyen表示，迄今为止，研究人员主要致力于优化这些材料。

然而，imec-英特尔团队的研究并不孤单。早在2020年，苏黎世ETH的研究人员利用域墙逻辑创建了一个逻辑门。麻省理工学院的研究人员最近还展示了一种基于域壁的人工神经元。像imec-英特尔研究人员和racetrack内存一样，这些设备也使用电流来移动域。

但是苏黎世和麻省理工学院的设备依靠磁场来写信息。就逻辑而言，这并不理想。“如果你建立一个逻辑电路，”imec探索计算主管Iuliana Radu说，“你不会放一个巨大的磁铁，你可以改变方向或开关来实现逻辑。”Radu说，完全的电子控制也将允许imec-英特尔设备连接到CMOS电路。

研究人员说，他们的下一步将是展示其装置的实际作用。他们设计了一个多数门，如果大多数输入为正，则返回正结果。但是，Radu说，他们还没有真正探索这种设计。只有到那时，研究人员才能知道他们的自旋电子学逻辑将如何与CMOS体系建立抗衡。