欧洲开发出计算机用纯磁振子集成电路，所需能量比CMOS芯片少10倍

凯泽斯劳滕工业大学（TUK）和维也纳大学领导的研究人员，成功地构造了一个基本电路，利用磁控管代替电子来传递信息，从而构成了计算机电路的基本构建块。根据《自然电子》中描述的研究成果，“强磁半加法器”仅需要三根纳米线，并且比最新的计算机芯片所需的能量要少得多。

物理学家正在为追求更小，更节能的计算树立一个里程碑：他们开发了一种集成电路，使用磁性材料和磁振子来传输二进制数据，1和0构成了当今计算机和智能手机的基础。

新电路极小，采用简化的2D设计，所需能量比当今使用CMOS技术的最先进计算机芯片少10倍左右。虽然当前的磁振子配置不如CMOS快，但现在可以进一步探索成功的演示用于其他应用程序，例如量子或神经形态计算。

成功的合作

该原型起初获得了安德里·楚马克（Andrii Chumak）的欧洲研究委员会（ERC）启动资助金，并通过与TUK的助理教授（Jun-Prof）Philipp Pirro博士，以及目前在维也纳大学担任博士后的Wang Qi博士密切合作，四年努力终于结晶。 Chumak在TUK开始工作，现在领导维也纳大学的研究小组。

Chumak说：“我们很高兴，因为我们设法完成了几年前计划的工作，而且效果甚至比我们预期的还要好。” 当他第一次提出磁振电路时，他的设计非常复杂。他归功于该论文的主要作者Wang，使该设计“至少好100倍”。

Chumak说：“我们看到磁控电路可以和CMOS一样好，但是如果想实施产业化，这可能还不够。我认为，尺寸必须至少小100倍，而且还要快得多。但是这种电路为二进制数据带来了巨大的机遇，例如在非常低的温度下进行量子电磁学计算。”

皮罗（Pirro）补充说：“我们也有兴趣将其电路改造成受大脑功能启发的神经形态大型计算机。”

怎么运行的？

纳米电路组件的尺寸小于一微米，比人的头发还要细，即使在显微镜下也几乎看不见。它包含由磁性材料制成的三根纳米线，称为钇钇铁石榴石。导线彼此之间精确地关系定位，以创建两个“定向耦合器”，引导磁振子穿过导线。磁振子是自旋波的量子-看起来就像石头扔进池塘后，水表面的涟漪一样，但是在这种情况下，这些波是由固态材料在量子水平上的磁序扭曲形成的。花费大量时间和精力找出最佳的纳米线长度和间距，才能得到所需的结果。TUK的Wang主要从事该项目的研究，他说：“这是第三或第四设计。” 

图片描述了具有可见原子结构的定向耦合器。自旋波从一根纳米线导管跳到另一根纳米线，此时导管之间的距离越来越近。来源：尼尔斯·保罗·贝特（Niels Paul Bethe）

在两个线非常靠近的第一个耦合器中，自旋波被分成两半。一半进入第二个耦合器，在第二个耦合器中，它们在导线之间来回跳跃。根据振幅，波将离开顶线或底线，分别对应于二进制“ 1”或“ 0”。由于该电路包含两个将两个信息流加在一起的定向耦合器，因此形成了“半加法器”，这是计算机芯片中最通用的组件之一。数以百万计的这些电路可以组合起来进行越来越复杂的计算和功能。

Pirro说：“通常的计算机通常需要数百个组件和14个晶体管，而在这里只需要三根纳米线，一个自旋波和非线性物理学。”

未来的应用

Pirro目前正在协作研究中心“ Spin + X”框架内，领导着TUK的自旋电子学计算方向，他现在将探索使用magnon电路进行神经形态计算，这种电路处理数据的方式不是二进制的，而是更像人脑。自旋波更适合更复杂的系统，并且具有携带更多信息的潜力，因为它们具有两个参数-振幅（即波高）和相位（即波角）。在当前的演示中，该团队没有使用phase作为变量，以使其易于进行二进制数据处理。

“如果这种器件可以与CMOS竞争，即使不使用基于波方法的全功率，那么我们可以确信，在某些情况下，使用自旋波的全功率方案可以比CMOS更高效”，Pirro说。“当然，最终目标是将CMOS和磁性技术的优势结合在一起。”