這種低功耗的設備完全依靠電流運行，比依靠磁場的競爭對手更上一層樓。

自旋電子學是超越CMOS的未來探索的萌芽之路。今天的電子器件利用的是電子的電荷，而自旋電子學則利用了另一個關鍵特性：電子的自旋，即電子固有的角動量，它指向“上”或“下”。自旋電子學器件比CMOS器件功耗小得多，即使在器件關閉時也能保存數據。

自旋已經在存儲器中使用，例如磁阻RAM（MRAM）。然而，為了執行邏輯運算而操縱微小的磁效應更為困難。例如，2018年，麻省理工學院的研究人員用氫離子作為自旋晶體管的可能基礎進行了實驗。他們的努力是非常基礎的；研究小組承認，要研制出一種能夠存儲和處理信息的功能齊全的自旋晶體管，還有很長的路要走。

現在，imec和英特爾的研究人員已經發明了一種自旋電子邏輯器件，它可以完全由電流而不是磁場來控制。博士生Eline Raymenants在最近的IEEE國際電子設備會議（International Electron Devices Meeting，IEDM）上介紹了該團隊的工作。

電子的自旋產生磁矩。當許多自旋相同的電子靠得很近時，它們的磁矩就可以對齊并合力形成一個更大的磁場。這樣的區域稱為磁疇，磁疇之間的邊界稱為疇壁。一種材料可以由許多這樣的疇和疇壁組成，像磁化馬賽克一樣組裝起來。

設備可以對這些域中的0和1進行編碼。指向“向上”的域可以表示0，其中“向下”表示1。imec和英特爾所研發的設備使用放置在納米級導線的單個文件行中的域。然后，該裝置利用電流沿著電線移動這些區域及其墻壁，就像火車軌道上的汽車一樣。

軌道在磁性隧道接頭（magnetic tunnel junction，MTJ）處與道岔相接。它類似于現在硬盤的讀磁頭，但是研究人員已經實現了一種新型的MTJ，這種MTJ經過優化，可以更快地移動域壁。MTJ從磁道讀取信息并作為邏輯輸入。

同樣的MTJ也是將信息寫入軌道的地方。為了做到這一點，imec-英特爾設備使用的技術與當今MRAM中使用的技術相同。該裝置通過一個自旋極化電流，其中大多數電子在一個方向上有自旋，通過一個磁疇。這種電流可以重新調整磁場的方向，在這個過程中創建或編輯疇壁。

它類似于racetrack存儲器，這是十年前首次提出的一種實驗性數據存儲形式。racetrack存儲器還將信息寫入magnetic domains ，并使用電流沿納米線或“racetrack”將這些magnetic domains穿梭（shuttle）。但是，imec-英特爾設備利用了材料方面的優勢，使domain walks可以更快地沿線向下移動。研究人員說，這是允許邏輯的關鍵。

imec研究員Van Dai Nguyen表示，迄今為止，研究人員主要致力于優化這些材料。

然而，imec-英特爾團隊的研究并不孤單。早在2020年，蘇黎世ETH的研究人員利用域墻邏輯創建了一個邏輯門。麻省理工學院的研究人員最近還展示了一種基于域壁的人工神經元。像imec-英特爾研究人員和racetrack內存一樣，這些設備也使用電流來移動域。

但是蘇黎世和麻省理工學院的設備依靠磁場來寫信息。就邏輯而言，這并不理想。“如果你建立一個邏輯電路，”imec探索計算主管Iuliana Radu說，“你不會放一個巨大的磁鐵，你可以改變方向或開關來實現邏輯。”Radu說，完全的電子控制也將允許imec-英特爾設備連接到CMOS電路。

研究人員說，他們的下一步將是展示其裝置的實際作用。他們設計了一個多數門，如果大多數輸入為正，則返回正結果。但是，Radu說，他們還沒有真正探索這種設計。只有到那時，研究人員才能知道他們的自旋電子學邏輯將如何與CMOS體系建立抗衡。

原文標題：IMEC和英特爾攜手開發一款新器件 替代CMOS

文章出處：【微信公眾號：IEEE電氣電子工程師學會】歡迎添加關注！文章轉載請注明出處。

責任編輯：haq