英特爾自旋電子技術(shù)取得突破：芯片體積將縮小80%，能耗可降低97%！

　　幾十年來(lái)，芯片始終依賴(lài)于互補金氧半導體電路(CMOS)技術(shù)。雖然CMOS電子元件仍遵循摩爾定律，但隨著(zhù)元件大小越來(lái)越接近單個(gè)原子尺寸，現有的芯片制程技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越逼近了物理極限。例如，寬度為 10nm 的晶體管柵極結構，其允許誤差僅為 1nm，這僅相當于3至4個(gè)原子層的厚度。而芯片制程要繼續往3nm甚至是1nm制程推進(jìn)將面臨更多的困難，很快摩爾定律可能將難以為繼。

　　延續“摩爾定律”的新技術(shù)

　　而為了推動(dòng)摩爾定律在未來(lái)的繼續前進(jìn)，以及可能的后摩爾時(shí)代的到來(lái)，英特爾很早就開(kāi)始積極研究如納米線(xiàn)晶體管、III-V 材料(如砷化鎵和磷化銦)晶體管、硅晶片的3D堆疊、高密度內存、(EUV)光刻技術(shù)、自旋電子(一種超越CMOS的技術(shù)，當CMOS無(wú)法再進(jìn)行微縮的時(shí)候，這是一種選擇，可提供非常密集和低功耗的電路)、神經(jīng)元計算等一些列前沿技術(shù)項目。

　　神經(jīng)擬態(tài)計算芯片Loihi

　　早在去年9月底的時(shí)候，英特爾就公布了其首款神經(jīng)擬態(tài)計算(類(lèi)腦)芯片Loihi，這是全球首款具有自我學(xué)習能力的芯片。

　　據介紹，Loihi采用的是異構設計，由128個(gè)Neuromorphic Core(神經(jīng)形態(tài)的核心)+3個(gè)低功耗的英特爾X86核心組成，號稱(chēng)擁有13萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元和1.3億個(gè)觸突。

　　與其他典型的脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )相比，在解決MNIST數字識別問(wèn)題時(shí)，以實(shí)現一定準確率所需要的總操作數來(lái)看，Loihi芯片學(xué)習速度提高了100萬(wàn)倍。與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和深度學(xué)習神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )相比，Loihi測試芯片在同樣的任務(wù)中需要的資源更少。

　　此外，在能效比方面，與訓練人工智能系統的通用計算芯片相比，Loihi芯片的能效提升了100倍以上。

　　除了在神經(jīng)元計算方面已經(jīng)推出測試芯片之外，現在英特爾在自旋電子技術(shù)等方面也已經(jīng)取得了突破。

　　自旋電子學(xué)技術(shù)原理

　　我們都知道，當電荷打開(kāi)或關(guān)閉調節電子流動(dòng)的門(mén)的時(shí)候，標準的CPU會(huì )將其讀取為0或1。而“自旋”作為一種量子力學(xué)屬性，可以使電子像具有南北極的磁鐵那樣運動(dòng)。自旋電子學(xué)技術(shù)的基本原理就是，通過(guò)精確控制電子“朝上”或“朝下”自旋的特性，將這些朝相反方向旋轉的電子排列在薄膜等物質(zhì)上，形成磁場(chǎng)，得到電子計算需要的“正”和“負”或“0”和“1”。這也使得自旋電子學(xué)技術(shù)可以被應用到存儲和數據處理當中。

　　其實(shí)，自旋電子學(xué)誕生至今已經(jīng)有二十多年。1997年國際商用機器公司就利用自旋電子學(xué)原理生產(chǎn)出了新型磁頭，正是這種磁頭使電腦硬盤(pán)的數據存儲量在過(guò)去幾年內提高了40倍。眾多的芯片制造商也認為，自旋電子學(xué)技術(shù)可以被用于下一代的計算芯片當中。

　　而采用自旋電子學(xué)原理生產(chǎn)出來(lái)的計算芯片，其運算速度將大大快于今天的半導體芯片，而且能耗極低，幾乎不發(fā)熱。因為在沒(méi)有恒定電源的情況下，自旋電子器件可以保持其磁性，這是傳統硅存儲器芯片仍然需要的。由于它們不需要恒定電源，因此自旋電子設備可以在超低功率水平下運行。與傳統的芯片相比，這些器件產(chǎn)生的熱量要少得多。

　　但是，基于自旋電子技術(shù)的芯片的納米級結構中不可避免的缺陷也將改變它們的動(dòng)量，并且由于動(dòng)量影響旋轉，電子的速度或軌跡的變化可以在它們被處理器讀取之前改變它們的預期自旋狀態(tài)，可能導致亂碼。這也使得要研制出采用這種技術(shù)的中央處理器芯片變得非常的困難。

　　不過(guò)，近年的研究發(fā)現，采用鉍氧化銦的材料來(lái)作為晶體材料，可以具有一組原子對稱(chēng)性，似乎可以將將電子的旋轉固定在某個(gè)方向上，與其動(dòng)量無(wú)關(guān)。而鉍氧化銦的原子對稱(chēng)性也能存在于其他晶體材料中，這也意味著(zhù)通過(guò)新的晶體材料，工程師可以使用電壓來(lái)控制電子旋轉，而不必擔心缺陷如何會(huì )影響電子的動(dòng)量。這也為基于自旋電子技術(shù)的計算機芯片打開(kāi)了大門(mén)。

　　英特爾在“自旋電子學(xué)”技術(shù)領(lǐng)域取得新進(jìn)展

　　據外媒報道，英特爾近日已在“自旋電子學(xué)”的技術(shù)領(lǐng)域取得新進(jìn)展。當地時(shí)間本周一，英特爾和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員公布了他們的自旋電子學(xué)研究進(jìn)展。

　　英特爾團隊的研究為一種名為“磁電旋轉軌道”(MESO)的邏輯元件。具體來(lái)說(shuō)，該元件使用氧、鉍和鐵原子的晶格，提供有利的電磁屬性以便外力可存儲并讀取信息。這種元件所需的功率大大小于CMOS晶體管。研究人員還表示，又因為他們無(wú)需激活即可保留信息，他們還可以在設備閑置時(shí)提供更加節能的睡眠模式。

　　據英特爾介紹，其利用自旋電子技術(shù)可以將芯片元件的尺寸縮小到目前尺寸大小的五分之一，并降低能耗90-97%。一旦商業(yè)成功，該技術(shù)可為近年來(lái)處理性能增長(cháng)平平的芯片產(chǎn)業(yè)帶來(lái)巨大的動(dòng)力。

　　“我們正努力就下一代晶體管引領(lǐng)行業(yè)和學(xué)術(shù)創(chuàng )新的浪潮，”英特爾組件研究小組的項目負責人Sasikanth Manipatruni在聲明中寫(xiě)道。