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自旋波多数决定逻辑门原型器件问世

归档日期:04-13       文本归类:多数决定门      文章编辑:爱尚语录

  [据物理学组织网站2017年4月10日报道] 随着计算机电子器件尺寸的不断缩小,其工作电流(或电压)已无法再像以前的大尺寸器件那样支持逻辑运算了。例如,多数决定逻辑门就是一种传统的基于半导体的逻辑门器件。多数决定逻辑的定义是:若逻辑“1”的个数大于逻辑“0”的个数,则输出值为逻辑“1”;若逻辑“0”的个数大于逻辑“1”的个数,则输出值为逻辑“0”。这就意味着,若有三个输入,想要使输出电流值(或等效电压值)匹配逻辑“0”或“1”,则在三个输入电流(或等效电压)中至少要有两个与逻辑“0”或“1”相匹配。那么,当器件尺寸缩小到无法满足经典物理学定律的程度时,该如何来构建逻辑门呢?

  在德国研究基金会资助下成立的一个名为Spin+X的研究中心近日宣布成功研制出钇-铁-石榴石(Yttrium-Iron-Garnet)自旋波多数决定逻辑门原型器件,该器件可利用自旋波(在磁性体系电子自旋排列过程中观察到的同步波)的干涉作用实现对信息的处理。该研究工作同时获得了欧盟InSpin项目资金的支持并与比利时纳米技术研究所微电子研究中心(IMEC)进行了合作,该研究成果已于本周发表在美国物理联合会(AIP, American Institute of Physics)下属期刊《应用物理快报》上。

  Spin+X研究中心的主要目标是对几乎所有类型的自旋相互作用进行研究,包括光、物质和电子等。其研究的主要思路是利用自旋波实现对信息的处理。自旋波来自磁性材料中的基本激发作用。研究人员利用由磁性材料电子集体自旋振动所产生的纳米级磁化波代替传统的电流或电压向逻辑门发送输入信息。这种纳米级的磁化波可通过相互干涉作用来实现布尔运算。由磁性材料原子磁矩间的相互作用所产生的波状激发可在磁性材料中进行传播。正是利用了这些波之间的相互干涉作用,以此来替代传统的电流和电压。此外,利用自旋波干涉作用产生多数决定逻辑门的输出信号,还额外提供了可用于信息控制的两个参数:自旋波振幅和相位。由于一个多数决定逻辑门可代替当前电子器件中的10个晶体管,原则上讲,利用自旋波干涉作用构建多数决定逻辑门的做法效率很高。

  自旋波逻辑门器件有三个输入端口,在这里会进行自旋波的激发和组合,信息被编入输入的自旋波相位中,并由此决定了输出信号的相位,即逻辑输出状态“0”或“1”。这是真正的信息处理过程。

  虽然首个器件原型的尺寸要比研究人员预想的可大规模应用的器件大,但该原型器件的研制成功证明了利用自旋波在吉赫兹频率下进行信息处理的可行性。

  由于自旋波的波长可被轻易调控至纳米级,因此将逻辑门器件的尺寸也减小至纳米级是很有希望的。如果实现,将会进一步改善器件性能并减少其对不利场波动的敏感度。此外,纳米尺度下自旋波的波速也将会增大,进而可提升运算速度。

  与天线类似,自旋波逻辑门器件可同时在多个频率下运行。这说明未来很有可能会出现用同一个“核心”进行并行计算的自旋波处理器。(工业和信息化部电子第一研究所 李铁成)

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