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英特尔自旋电子技术取得突破:芯片体积将缩小80%,能耗可降低97%!

2018-12-04 17:25
来源: 芯智讯

几十年来,芯片始终依赖于互补金氧半导体电路(CMOS)技术。虽然CMOS电子元件仍遵循摩尔定律,但随着元件大小越来越接近单个原子尺寸,现有的芯片制程技术已经越来越逼近了物理极限。例如,宽度为 10nm 的晶体管栅极结构,其允许误差仅为 1nm,这仅相当于3至4个原子层的厚度。而芯片制程要继续往3nm甚至是1nm制程推进将面临更多的困难,很快摩尔定律可能将难以为继。

延续“摩尔定律”的新技术

而为了推动摩尔定律在未来的继续前进,以及可能的后摩尔时代的到来,英特尔很早就开始积极研究如纳米线晶体管、III-V 材料(如砷化镓和磷化铟)晶体管、硅晶片的3D堆叠、高密度内存、(EUV)光刻技术、自旋电子(一种超越CMOS的技术,当CMOS无法再进行微缩的时候,这是一种选择,可提供非常密集和低功耗的电路)、神经元计算等一些列前沿技术项目。

神经拟态计算芯片Loihi

早在去年9月底的时候,英特尔就公布了其首款神经拟态计算(类脑)芯片Loihi,这是全球首款具有自我学习能力的芯片。

据介绍,Loihi采用的是异构设计,由128个Neuromorphic Core(神经形态的核心)+3个低功耗的英特尔X86核心组成,号称拥有13万个神经元和1.3亿个触突。

英特尔自旋电子技术取得突破:芯片体积将缩小80%,能耗可降低97%!

与其他典型的脉冲神经网络相比,在解决MNIST数字识别问题时,以实现一定准确率所需要的总操作数来看,Loihi芯片学习速度提高了100万倍。与卷积神经网络和深度学习神经网络相比,Loihi测试芯片在同样的任务中需要的资源更少。

此外,在能效比方面,与训练人工智能系统的通用计算芯片相比,Loihi芯片的能效提升了100倍以上。

除了在神经元计算方面已经推出测试芯片之外,现在英特尔在自旋电子技术等方面也已经取得了突破。

自旋电子学技术原理

我们都知道,当电荷打开或关闭调节电子流动的门的时候,标准的CPU会将其读取为0或1。而“自旋”作为一种量子力学属性,可以使电子像具有南北极的磁铁那样运动。自旋电子学技术的基本原理就是,通过精确控制电子“朝上”或“朝下”自旋的特性,将这些朝相反方向旋转的电子排列在薄膜等物质上,形成磁场,得到电子计算需要的“正”和“负”或“0”和“1”。这也使得自旋电子学技术可以被应用到存储和数据处理当中。

英特尔自旋电子技术取得突破:芯片体积将缩小80%,能耗可降低97%!

其实,自旋电子学诞生至今已经有二十多年。1997年国际商用机器公司就利用自旋电子学原理生产出了新型磁头,正是这种磁头使电脑硬盘的数据存储量在过去几年内提高了40倍。众多的芯片制造商也认为,自旋电子学技术可以被用于下一代的计算芯片当中。

而采用自旋电子学原理生产出来的计算芯片,其运算速度将大大快于今天的半导体芯片,而且能耗极低,几乎不发热。因为在没有恒定电源的情况下,自旋电子器件可以保持其磁性,这是传统硅存储器芯片仍然需要的。由于它们不需要恒定电源,因此自旋电子设备可以在超低功率水平下运行。与传统的芯片相比,这些器件产生的热量要少得多。

但是,基于自旋电子技术的芯片的纳米级结构中不可避免的缺陷也将改变它们的动量,并且由于动量影响旋转,电子的速度或轨迹的变化可以在它们被处理器读取之前改变它们的预期自旋状态,可能导致乱码。这也使得要研制出采用这种技术的中央处理器芯片变得非常的困难。

不过,近年的研究发现,采用铋氧化铟的材料来作为晶体材料,可以具有一组原子对称性,似乎可以将将电子的旋转固定在某个方向上,与其动量无关。而铋氧化铟的原子对称性也能存在于其他晶体材料中,这也意味着通过新的晶体材料,工程师可以使用电压来控制电子旋转,而不必担心缺陷如何会影响电子的动量。这也为基于自旋电子技术的计算机芯片打开了大门。

英特尔在“自旋电子学”技术领域取得新进展

据外媒报道,英特尔近日已在“自旋电子学”的技术领域取得新进展。当地时间本周一,英特尔和加州大学伯克利分校的研究人员公布了他们的自旋电子学研究进展。

英特尔团队的研究为一种名为“磁电旋转轨道”(MESO)的逻辑元件。具体来说,该元件使用氧、铋和铁原子的晶格,提供有利的电磁属性以便外力可存储并读取信息。这种元件所需的功率大大小于CMOS晶体管。研究人员还表示,又因为他们无需激活即可保留信息,他们还可以在设备闲置时提供更加节能的睡眠模式。

据英特尔介绍,其利用自旋电子技术可以将芯片元件的尺寸缩小到目前尺寸大小的五分之一,并降低能耗90-97%。一旦商业成功,该技术可为近年来处理性能增长平平的芯片产业带来巨大的动力。

“我们正努力就下一代晶体管引领行业和学术创新的浪潮,”英特尔组件研究小组的项目负责人Sasikanth Manipatruni在声明中写道。

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