2011-08-16

應變與自旋或使「超低耗能運算」成為可能

Strain and spin may enable ultra-low-energy computing
http://www.physorg.com/news/2011-08-strain-enable-ultra-low-energy.html

August 15, 2011

藉由結合二種先進技術 -- 自旋電子學(spintronics)以及應變電子學(straintronics,形變電子學),一個來自 Virginia Commonwealth 大學的研究團隊已設計出也許是世上最小器(miserly)的 IC。

他們所提議的設計在運行時所消耗的能量如此之少,以至於連電池都免了;它只靠汲取來自於環境的環境能源(ambient energy)就能運作。那並非傳統基於電荷的、用來將基本的 0 與 1 電腦術語編碼的電子式切換器,自旋電子學是駕馭自然的電子自旋 -- 上或下 -- 來儲存資料位元。

朝某方向自旋你就得到一個 0;朝另一個方向自旋 -- 通常藉由施加磁場,或透過自旋極化的(spin-polarized)電流脈衝 -- 你就得到一個 1。在切換期間,自旋電子所用的能量遠遠少於基於電荷的電子學。然而,當提昇可用的處理速度時,節省的能量大部分都耗損在「將來自外在世界的能量轉換成磁力」的機制中。

一如在 AIP 的 Applied Physics Letters 期刊中所提,解決辦法是使用一種特殊等級的複合結構,稱為多鐵性(multiferroics)。這種複合結構是由一層壓電材料與磁致伸縮奈米磁鐵(magnetostrictive nanomagnet,那會改變形狀以回應應變)緊密接觸而成。當一微小電壓施加到整個結構時,會在壓電層產生應變,那接著轉移到磁致伸縮層。

這種應變旋轉了磁性方向,達成「翻轉」。若選擇適當的材料,耗散的能量能有 0.4 阿焦耳(attojoules)這麼低,大約是 1 x 10^-18 焦耳。所提議的設計將創造出一種功率超低卻有高密度、非揮發性的磁性邏輯與記憶系統。

處理器將十分適合可植入式醫療裝置,而且光靠收成來自病患身體運動的能量就能夠運作。在其他有趣的可能性中,它們亦能被整合到與浮標接合的(buoy-mounted)電腦,那能夠收成來自海浪的能量。

※ 相關報導:

* Hybrid spintronics and straintronics: A magnetic technology for ultra low energy computing and signal processing
http://apl.aip.org/resource/1/applab/v99/i6/p063108_s1
Kuntal Roy, Supriyo Bandyopadhyay, and Jayasimha Atulasimha
Appl. Phys. Lett. 99, 063108 (2011); (3 pages)
doi:10.1063/1.3624900
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