芯片性能提升5倍，能耗降低30倍！英特尔要用自旋电子技术“复活”摩尔定律！

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、量子计算等一些列前沿技术项目。

神经元计算芯片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。

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。

量子计算芯片

量子计算是利用量子叠加和量子纠缠来实现逻辑运算，量子计算机则拥有超强的计算能力。业界普遍认为，量子计算将是一种颠覆性的新技术。

著名量子信息学家郭灿森曾解释称，理论上拥有 300 个量子比特的量子计算机就能支持比宇宙中原子数量更多的并行计算。量子计算机能够将某些经典计算机需要数万年来处理的复杂问题的运行时间缩短至几秒钟。如果形象的比喻，那么就是自行车与飞机的速度差异。

所以，我们可以看到近年来IBM、谷歌、英特尔以及国内的众多研究机构都在积极的进行量子芯片的研发。

英特尔将超导量子计算测试芯片的量子位从 7、17 提高到 49(从左到右)

今年1月9日，英特尔在美国拉斯维加斯CES展上宣布，其已向合作伙伴交付首个49量子位量子计算测试芯片 “Tangle Lake”。

在英特尔公司副总裁兼英特尔研究院院长Michael C. Mayberry看来，相对于传统计算，量子计算最大的优势是可以并行地运行数据，它表示数据的能力达到传统计算机的50倍，使得我们可以处理在固定内存时间内传统计算机解决不了的问题。

英特尔在“自旋电子学”技术领域取得新进展

虽然英特尔在神经元计算、量子计算方面都有了不错的进展，但是这量项技术要想走向商用还需要很长的一段时间。现在英特尔在另一项能够推动摩尔定律的新技术——自旋电子技术方面也已经取得了突破。而且相对于前两项技术，后者有望更快一步走向商用。

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。同样的道理，自旋电子学技术的基本原理是，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，“当你把自旋方向设定为‘上’，将其定义为‘1’，然后将其置于磁场中使方向改变180度，那么它就从‘1’变成了‘0’；如果改变360度，那么它就维持‘1’不变。”我们就得到了电子计算需要的“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。

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。另外，还需要使得电子的自旋方向必须能被轻易改变，又能在较长时间内稳定地保持这一方向。

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，可以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。

MESO可使芯片性能提升5倍，能耗降低30倍！

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在《自然》杂志上发表的一篇论文中，公布了他们的自旋电子学研究进展。该论文的第一作者是英特尔组件研究小组的项目负责人Sasikanth Manipatruni。

论文介绍一种结合了自旋电子技术的名为“磁电旋转轨道”（MESO）的逻辑元件，采用了多铁性材料（具有氧、铋和铁原子的晶格）和拓扑材料，提供有利的电磁属性，以便可存储信息和逻辑运算。

▲多铁晶体结构：多铁性材料的单晶铋 - 铁 - 氧化物。铋原子（蓝色）在立方体的每个面上形成具有氧原子（黄色）的立方晶格，并且在中心附近形成铁原子（灰色）。稍微偏离中心的铁与氧相互作用以形成电偶极子（P），其耦合到原子（M）的磁自旋，使得用电场（E）翻转偶极子也会使磁矩翻转。材料中原子的集体磁自旋对二进制位0和1进行编码，并允许信息存储和逻辑运算。

在这篇论文中，研究人员指出，他们已将多铁电磁电开关所需的电压从3伏降低到500毫伏，并预测应该可以将其降低到100毫伏。这只相当于CMOS（互补金属氧化物半导体）晶体管所需电压的五分之一到十分之一。较低的电压意味着较低的能耗：将位从1切换为0的总能量将是CMOS所需能耗的十分之一到三十分之一。

同时研究人员还表示，相对于基于CMOS的处理器来说，基于MESO的处理器能够提供10到100倍能效。因为他们无需激活即可保留信息，所以还可以在设备闲置时提供更加节能的睡眠模式。此外，基于MESO的逻辑运算速度也比CMOS高出五倍，延续了单位面积计算力提升的趋势。

按照上面的数据换算来看，英特尔利用自旋电子技术可以在保持现有的CMOS芯片的性能下，将芯片尺寸缩小到目前尺寸大小的五分之一，并将降低能耗90-97%。

显然，项技术一旦商业成功，将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，将推动摩尔定律继续前行。

“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在论文中写道。

编辑：芯智讯-浪客剑     编译自：berkeley.edu（部分内容综合自网络

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