[据Sciencedaily网站2018年12月03日报道]英特尔公司(IntelCorp.)和加州大学伯克利分校(University of California , Berkeley)的研究人员正在寻求能够超越现有晶体管技术的方法，为新型存储器和逻辑电路铺平了道路，新型电路将来可能会出现在地球上的每一台电脑上。
12月3日，在《Nature》杂志发表之前，一篇论文率先在网上发表，文章中提到了将多铁性和拓扑性材料应用于逻辑和内存设备中，这将会对当前基于COMS(互补型金属氧化物半导体)的微处理器具有10~100倍的节能改进。
磁电式自旋轨道（MESO）器件在同一条件下的逻辑运算量将是COMS器件的5倍，继续朝着单位面积计算量更多的方向发展，这是摩尔定律的一个核心原则。
新器件将会推动高计算能力、低能耗的技术发展，尤其是高度自动化的自动驾驶汽车和无人机，这两种技术都要求在每秒中进行多次的计算机操作。
英特尔俄勒冈州希尔斯伯勒研究小组的MESO项目负责人Sasikanth Manipatruni说“随着CMOS技术的发展趋向成熟，我们拥有非常强大的技术选择来帮助我们解决问题。从某种程度上说，新器件可能会继续改进计算能力”。Sasikanth Manipatruni是这篇论文的主要作者并且设计了第一台MESO设备。
晶体管技术发明于70年前，今天被应用于手机、电器、汽车、超级计算机等领域。晶体管使电子在半导体内部来回移动并存储为二进制位0和1。
在新型MESO器件中，二进制被定义为多铁性材料中粒子的上下磁性自旋态。多铁性材料是由加州大学伯克利分校(UC Berkeley)材料科学与工程物理学教授Ramamoorthy Ramesh于2001年创造的，他同时也是这篇论文的主要作者。
Ramesh同时也是劳伦斯伯克利国家实验室的一名研究员，他说：“研究发现，对多铁性材料施加电压将会改变材料的磁性顺序。但对我来说，这些多铁性材料能做什么?一直是个大问题。MESO解决了这个困惑，它为计算机的发展提供了一条新的途径”。
在《Nature》杂志中，研究人员报告说他们已经将开启多铁性磁电开关所需的电压从3V降到了0.5V，并预测将来可能会降到0.1V。这将是目前使用的CMOS晶体管所需电压的1/5或1/10。低电压意味着低能损耗，将1转换成0的总能量是COMS所需能量的1/10到1/30。
“需要开发一些关键技术来满足新型计算设备和架构”Manipatruni说，他结合了磁电和自旋轨道材料的功能提出了MESO。“我们正试图在业界和学术界掀起一波创新浪潮，看下一个类似晶体管的选择应该是什么样子”。
物联网和人工智能
节能计算机目前被迫切需要。美国能源部预测，随着计算机芯片工业在未来几十年里扩大到数万亿美元，计算机的能源消耗可能会从目前美国能源消耗的3%猛增到20%。如果没有节能晶体管，计算机于一切事物的结合―所谓的物联网―将会受到阻碍。Ramesh说，如果没有新的科学技术，美国在制造计算机芯片方面的领先地位可能会被其他国家的半导体制造商超越。
“因为机器学习、人工智能和物联网的应用，未来的家庭、未来的汽车、未来的制造能力将看起来非常不同”，Ramesh说，直到不久前，他还是伯克利实验室(Berkeley Lab)能源技术副主任，“如果我们使用现有技术，不再有新发现，能源消耗将会很大，我们需要新的科学突破”。
论文合著者、加州大学伯克利分校博士Ian Young八年前与Manipatruni和Dmitri Nikonov在英特尔成立了一个小组，研究晶体管的替代品。五年前，他们开始专注于多铁性和自旋轨道材料，即具有独特量子特性的所谓“拓扑”材料。
Manipatruni说：“分析使我们得到了这种磁电材料”。
多铁性和自旋轨道材料
多铁性材料是一种原子可以表现出多种铁的性质的“集体态”材料。例如，在铁磁体中，材料中所有铁原子的磁矩排列成一条直线形成永磁体。另一方面，在铁电材料中原子的正电荷和负电荷相互抵消，创造了贯穿材料的电偶极子，形成了永久的电力矩。
MESO是一种由铋、铁和氧(BiFeO3)组成的多铁材料，具有磁性和铁电性。Ramesh说，它的最大优势在于，磁性和铁电性这两种状态是相互相连和耦合的，因此改变其中一种状态会影响另一种状态。通过操纵电场，你可以改变磁场的状态，这对于MESO至关重要。
随着具有自旋轨道效应的拓扑材料的迅速发展，MESO技术取得了关键的突破。自旋轨道效应能够有效地读出多铁体材料的状态。在MESO器件中，电场改变了材料中的偶极电场，偶极电场改变了产生磁场的电子自旋。这种效应叫做自旋轨道耦合，是材料的量子效应，由电子自旋方向决定电流。
在本月早些时候发表在《Science Advances》上的一篇论文指出，加州大学伯克利分校和英特尔公司使用磁电材料铁酸铋(BiFeO3)演示了电压控制磁开关的实验，这是MESO器件实现的关键。
Young说：“我们正在寻找能够超越CMOS时代的革命性而非渐进式的计算方法，MESO是围绕低压互联和低压磁电建立的，为计算带来了量子材料的创新”。
《Nature》上的这篇论文其他合著者包括英特尔(Intel)公司的Tanay Gosavi、Huichu Liu，以及加州大学伯克利分校的Bhagwati Prasad、Yen-Lin Huang、Everton Bonturim。这项工作是由英特尔公司的支持完成的。（工业和信息化部电子第一研究所李茜楠）
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