節(jié)能型計算機磁性內(nèi)存問世

加州大學(xué)洛杉磯分校亨利·薩繆里工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院研究人員通過電壓而不是電流，極大地提高了磁阻隨機存儲器性能，這是一種速度極快、性能卓越的計算機內(nèi)存。

被加州大學(xué)洛杉磯分校研究小組稱為磁電隨機存儲器的這款內(nèi)存極有可能成為未來幾乎所有電子產(chǎn)品的內(nèi)存條，包括智能手機、平板電腦、計算機、微處理器，也可專門用于數(shù)據(jù)存儲，如計算機和大型數(shù)據(jù)中心的固態(tài)磁盤等。

磁電隨機存儲器優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的主要優(yōu)點是它耗能極低，同時密度大、讀取和寫入速度快、不揮發(fā)，不用加電也可保存數(shù)據(jù)（這類似于硬盤驅(qū)動器和閃存條，但速度要快得多）。

當(dāng)前，磁性內(nèi)存的技術(shù)基礎(chǔ)是自旋轉(zhuǎn)移矩，利用了電子（自旋體）的電荷和磁特性，以電流移動電子，向內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)。盡管自旋轉(zhuǎn)移矩與其他內(nèi)存技術(shù)相比有諸多優(yōu)勢，但其電流寫入機制仍須消耗一定能量，即寫入數(shù)據(jù)時會產(chǎn)生一定熱量。其存儲能力受到數(shù)據(jù)物理距離的限制，即寫入信息所需電流的限制。這種低位能力拉高了比特成本，從而限制了自旋轉(zhuǎn)移矩技術(shù)的應(yīng)用。

在磁電隨機存儲器中，加州大學(xué)洛杉磯分校的研究小組用電壓取代電流來寫入數(shù)據(jù)。這樣就無須用導(dǎo)線移動大量的電子，而只須利用電壓（電勢差）即可開關(guān)磁位，向內(nèi)存寫入信息。這樣計算機內(nèi)存產(chǎn)生的熱量就大為減少，節(jié)能效率提高10到1000倍。此外，內(nèi)存密度可提高5倍，在同樣的物理空間內(nèi)能存儲更多的位信息，從而降低了比特成本。

該研究負(fù)責(zé)人為加州大學(xué)洛杉磯分校電氣工程系教授王康，成員還有論文第一作者、電氣工程研究生胡安· G·阿爾扎泰以及加州大學(xué)洛杉磯分?！獓栏呒壯芯坑媱澥鸱菗]發(fā)邏輯項目經(jīng)理、電氣工程助理研究員佩德拉姆·哈利利。

哈利利說：“以電壓控制納米級磁體的能力是磁學(xué)研究中令人興奮、快速增長的領(lǐng)域。這一工作為下列研究提供了新思考：如何以電壓脈沖控制開關(guān)方向，如何不用外部磁場就能確保設(shè)備正常工作，如何把它們整合成高密度存儲器陣列等。一旦做成商品，磁電隨機存儲器相對現(xiàn)行其他技術(shù)的優(yōu)勢不僅表現(xiàn)在能量散失少上，還表現(xiàn)在能使磁阻隨機存儲器極為密實，這也很重要。由于成本低、性能高，磁電隨機存儲器可以挺進(jìn)以前為成本和性能所困的新的應(yīng)用領(lǐng)域?！?/p>

阿爾扎泰說：“最近首款自旋轉(zhuǎn)移矩—磁阻隨機存儲器（STT-RAM）商用芯片問世，它也為磁電隨機存儲器的推廣打開了大門，因為它們的設(shè)備原料和制造工藝十分相似，后者既可兼容STT-RAM當(dāng)前的邏輯電流技術(shù)，又減緩了能量和密度的限制?！?/p>

名為《納米級磁穿隧接面的電壓開關(guān)控制》論文介紹了上述研究成果，在12月12日于舊金山召開的美國電氣和電子工程師協(xié)會國際電子設(shè)備2012年會上進(jìn)行了宣讀，該年會是“發(fā)布半導(dǎo)體和電子設(shè)備領(lǐng)域突破性成果的杰出論壇”。

磁電隨機存儲器采用了稱為受電壓控制的磁絕緣體結(jié)點的納米級結(jié)構(gòu)，數(shù)層摞在一起，其中有兩層是磁性材料，一層磁場方向固定，另一層可通過電場加以控制。特殊設(shè)計的設(shè)備對電場很敏感。當(dāng)施加電場時，兩個磁層間就產(chǎn)生了電位差，即電壓。電壓可通過在各層表面聚積或消除電子，向內(nèi)存寫入信息。

王康指出：“像這樣能量極低的自旋電子設(shè)備，其潛在應(yīng)用不只限于存儲器產(chǎn)業(yè)。這些存儲器可集合邏輯和計算，從而徹底消除預(yù)備電力，使即通型電子系統(tǒng)成為現(xiàn)實，極大提高設(shè)備功能。”

這項研究得到了國防高級研究計劃署NV邏輯項目的資助。論文其他作者分別來自加州大學(xué)洛杉磯分校電氣工程系、加州大學(xué)歐文分校物理和天文學(xué)系、日立全球存儲技術(shù)公司以及Singulus技術(shù)公司。 （責(zé)任編輯：李浩）

（來源：中國科學(xué)報）