磁微處理器挑戰計算機最低能耗極限

根據加州大學伯克利分校電力工程師的研究，未來計算機可能使用一種由納米磁鐵製作的處理器，僅消耗物理定律所限的最低能量，這就是磁微處理器計算機。目前的硅基微處理器芯片依賴於電流，也就是運動電子，會產生大量的廢熱。如果用納米磁鐵，就像微型的冰箱磁鐵那樣，用來進行存儲、邏輯運算與開關操作，理論上不需要電子。

　　終極能效計算機

　　“目前的計算機運行要靠電流，通過電子在電路上的運動，完成各種信息處理功能。”加州大學伯克利分校電力工程與計算機科學系研究生布賴恩·拉姆森解釋說，“但一種靠磁力工作的計算機不需要運動電子，如果用磁鐵來存儲數據、處理信息，只要把磁鐵做得足夠小，並把它們整裝在一起，就會產生相互作用，支持運算、存儲以及控制等所有計算機的功能。”

　　在室溫下，這種芯片每次操作僅耗用18毫電子伏特的能量，這是熱力學第二定律所允許的最小量，稱爲蘭道爾極限，比目前計算機的每次操作耗能要低100萬倍。

　　“原則上，我認爲人們能造出按蘭道爾極限運行的真實的電路。”加州大學伯克利分校電力工程與計算機科學教授、能效電子科學中心共同主管傑弗裏-博格說，“即使這種電路的工作能效比蘭道爾極限高一個數量級，也將帶來巨大的節能效果，這將是徹底的革命。”

　　能效電子科學中心去年從美國國家科學基金會獲得了2500萬美元撥款，其中一個目標就是建造在蘭道爾極限能量下運行的計算機。

　　向蘭道爾極限能量進軍

　　50年前，羅爾夫-蘭道爾利用當時新型的信息論計算了一次邏輯運算所需要的最低能量，比如一次“and（和）”或“or（或）”的運算，根據熱力學第二定律，會消耗一個固定值（kTln2）的熱量。比如在一個標準邏輯門中，有2個輸入和1個輸出，當兩個輸入值都爲正時，一個and運算產生一個輸出值；而兩個輸入值中只要有一個爲正，一個or運算就可產生一個輸出值。該規則是一種不可逆過程，一次邏輯運算或擦去一個比特的信息，所消耗的能量無法恢復。也就是說，任何封閉系統的熵不可能減少。

　　在今天的晶體管和微處理器中，這一極限遠遠低於以熱量形式散失的能量，熱能損耗主要來自電阻。

　　2006年時，法國巴黎聖母大學的研究人員第一次用磁性納米粒子成功地演示了一次邏輯操作，他們用16個耦合的納米磁鐵構造了3個輸入主體的邏輯門。拉姆森對他們的磁性邏輯運算進行了熱量分析，發現這種電路也能在蘭道爾極限能量下運行。

　　目前已有許多科研團隊和科學家，包括博格和拉姆森研究小組在內，致力於開發不依賴電子運動也能工作的計算機，向蘭道爾極限進軍。加州大學伯克利分校研究小組用一種簡單的磁性邏輯電路和磁性存儲設備對磁微處理的能效極限進行了檢驗。

　　他們用一種寬約100納米、長200納米的磁鐵製作了磁性存儲和邏輯設備。納米磁鐵也像其他磁鐵一樣有着南北兩極，兩極向上或向下的方向可用於表示計算機存儲中的二進制代碼0或1。此外，當多個納米磁鐵結合在一起時，它們的北極和南極通過兩極間的力相互作用，顯出晶體管的功能，能夠實現簡單的邏輯運算。

　　經過計算和計算機模擬證明，雖然尚未達到蘭道爾極限，但一次簡單的存儲操作，如擦掉一個磁比特（也稱恢復操作），所需的能耗非常小。由於蘭道爾極限與溫度成比例，將電路致冷到低溫狀態效率會更高。

　　“磁鐵本身也可作爲一種存儲器，但真正的挑戰是讓電路和晶體管運行起來。”拉姆森說。

　　挑戰極限任重道遠

　　向蘭道爾終極能效極限進軍無疑還要克服很多困難。比如用於產生磁場、擦除或翻轉納米磁鐵的極性的電流也會消耗許多能量，而理想狀態下，新材料應當不再需要電流，除非是將一個芯片上的信息拷貝到另一個上面。

　　其他方面的障礙還包括，當能耗降低後，設備會對隨機的熱波動、雜散磁場及其他噪聲干擾更敏感，從而變得更不穩定。

　　“目前，我們正在研究一種直接用電壓而不是外加磁場來控制磁性的方法，可以在沒有外部磁場的情況下輸入能量，比如用一種同時具有鐵電、鐵磁兩種性能或更多種性能的多鐵性材料。”博格說，“這種磁性技術對超低能量非常有用。同時我們還在尋找其他的方法，讓它在速度、性能和穩定性方面更有競爭力。”