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英特爾研發出新量子材料取代CMOS,成為摩爾定律救命丹

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科技產業資訊室 - Gloria 發表於 2018年12月11日

圖一、MESO取代CMOS電晶體以延續摩爾定律

摩爾定律延續的希望來了!Nature發佈的最新論文顯示,英特爾和加州大學柏克萊分校的研究人員正在研究超級晶片,已經在自旋電子學領域取得突破進展。

摩爾定律主要是積體電路中可容納的電晶體數目,約18個月增加一倍。其中的電晶體主要為CMOS電晶體,目前主流看法是在5奈米節點後的電晶體將逼近物理極限,導致摩爾定律終結。

英特爾研究人員發現用自旋電子學技術能夠讓現在晶片元件尺寸縮小到五分之一,並降低能耗超過90%。一旦這項技術能夠進入量產,可望研發出超級晶片,以延續為摩爾定律的有效性。

從80年代以來,大多數電子產品都依賴於CMOS電晶體的使用。然而,CMOS操作的原理涉及由絕緣柵極控制的可開關半導體電導率,這在很大程度上是不變的,即使電晶體能被縮小到10奈米的尺寸。

可是英特爾和柏克萊大學的研究顯示:一旦其採用多鐵性和拓撲材料,放入邏輯和記憶體器件中,比起CMOS電晶體還能夠提供10100倍能源效率。在相同空間下,MESOmagneto-electric spin-orbit;磁電旋轉軌道)裝置的邏輯運算比起CMOS高出五倍,因而在單位面積有較多運算,這是摩爾定律的核心原則。

具體而言,研究人員提出一種可伸縮的自旋電子邏輯元件,它通過自旋軌道轉導和磁電開關來工作。該裝置採用先進的量子材料,特別是相關氧化物和物質拓撲狀態,進行集體開關和檢測。

由於物聯網與人工智慧的崛起,未來急需要具能源效率的電腦。根據美國能源部預估,隨著電腦晶片產業在未來幾十年內將擴大到數兆美元,電腦的耗能將從目前美國所有能源消耗量的3%猛增至20%,幾乎與今日運輸所需的能源相當。如果沒有更節能的電晶體,將電腦晶片整合到所有物件中(即所謂的物聯網),則產業發展將受到阻礙。此外,從國家戰略角度來看,如果沒有新的科學技術,美國在製造電腦晶片方面的領先優勢,可能會被其他國家的半導體製造商所取代。

由於機器學習,人工智慧和物聯網的緣故,未來的家庭、汽車與製造能力和今日將相當不同,這也是英特爾與和加州大學柏克萊分校的研究人員,企圖以新材料讓MESO取代CMOS地位的原因。
總之,在自旋電子學技術下,MESO有望在未來取代目前廣泛使用的CMOS電晶體,進而延續摩爾定律的力量。(750字)


參考資料:
Intel Looks Beyond CMOS With Low-Power Quantum-Based MESO Logic Devices. Hot Hardware,2018/12/04
New quantum materials could take computers beyond the semiconductor era. UC Berkeley,2018/12/3


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