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电子磁矩的独特几何形状可以克服计算机存储器和逻辑的基本限制

许多使用计算机和其他数字设备的人都知道显示器上显示的所有单词和图像都会归结为一系列的零和零。但很少有人会欣赏那些零和背后的东西:“磁矩”的微观阵列(想象有正极和负极的微小条形磁铁)。当在铁等铁磁材料中平行排列时,这些力矩会产生图案和磁位流 – 零和零,是所有数字化生命的命脉。

这些磁位对于扰动是稳定的,例如来自热量,通过数量上的强度形式:无意中使其方向反转的任何时刻通过与钻头中的其余对准力矩的磁性相互作用而被翻转。几十年来,工程师通过使用制造技术的进步和用于读取和写入数据的新技术,缩小了这些磁畴,从而提高了计算能力。

然而,近年来,很明显这种方法无法无限期地继续下去。事实证明,当钻头的尺寸变得太小并且周围的热能超过保持它们对准的相互作用能量时,瞬间开始摆动不对齐,使得所有重要的数字位不稳定并且对于存储或逻辑不可靠。对于许多高性能电子设备,即将达到磁位大小的热力学要求 – 称为超顺磁极限 – 意味着在相同的空间量中获得更多的存储器将不再可能。

今天宣布的DARPA电子拓扑激励项目旨在研究在新颖几何形状中安排这些力矩的新方法,这些方法比传统的平行布置更加稳定。如果成功,这些新配置可以使数据位比现在大得多,可能使芯片上可实现的存储量增加100倍。它还可以实现全新计算机逻辑概念的设计,甚至可以用于受拓扑保护的“量子”位 – 这是长期寻求的量子计算机的基础。

“我们已经知道有一些磁性相互作用有利于磁矩以v形倾斜,而不是平行排列,这产生了比平行排列更稳定的结构,”Rosa Alejandra说。 “Ale”Lukaszew,DARPA国防科学办公室的项目经理。“倾斜的相互作用不允许电子彼此平行排列,因此为了使它们适合于小区域,它们必须以特殊模式配置。这些独特的几何图案称为拓扑激励,非常稳定,即使收缩到非常小的尺寸也能保持其几何形状。但直到最近,我们才拥有多尺度模型,先进的计量工具,以及对适当材料组合的理解,以充分探索这一现象。“

拓扑激励的另一个独特特征是它们可以以很小的电流以很快的速度移动,例如,如果将它们放置在读/写头前面的轨道上,则允许快速读写操作,阿莱说。这种方法可以探索新颖的3D芯片设计方法,实现每平方英寸100TB的存储容量,比实验室演示中每平方英寸1TB的电流限制高100倍。

该计划的一个关键目标是在室温下展示小于10纳米的拓扑激发,用于存储器应用。目前,有初步的研究数据表明,有可能产生这种尺寸的skyrmions(特定类型的拓扑激发),但仅在非常低的温度下,Ale说。迄今为止在室温下实现的最小尺寸为10纳米,比新计划的目标大一到两个数量级。但是,如果能够找到合适的材料,理论上可以使用小于10纳米的尺寸。

“如果你能用低电流快速移动这些skyrmions,那么你也有可能实现逻辑,”Ale说。“你现在不仅要进入内存业务,还要进入处理器业务,因为那时你可以为所有典型的数字逻辑门实现完全不同的范例。如果我们能够在室温下实现小于10纳米的尺寸,我们想要确定它们对于存储器和逻辑,它们的尺寸和动态的可控性 – 这个整个设计空间必须进行探索。如果我们证明这些东西可以像我们想象的那样快速移动,那么我们可以拥有超过1太赫兹的逻辑,这是现在的极限。“

例如,该程序还将探索寻求合适属性的不同材料,以及应用于量子位的其他拓扑保护状态。

“磁性材料并不是唯一可以承受拓扑激发的材料,”Ale说。“有些氧化物可以维持这种激发,但带有电荷而不是磁矩,因此该程序对其他方法持开放态度。如果有可能在氧化物中产生更小且更少能量要求的skyrmions,那可能比磁性更有趣。虽然我们的重点是内存存储和逻辑,但如果社区对其他应用程序有新颖的想法,我们正在倾听。“

如果研究表明拓扑激励可以实现内存,处理速度和功率节省的预期增益,它最终可能会对军事系统有巨大的应用。Ale说,有人驾驶和无人驾驶的飞机可以在飞机上以更少的电池重量飞行,使它们能够飞得越来越远,部队将携带更少的电池来执行任务,减轻他们的负担。

电子学中的拓扑激发项目寻求材料科学方面的专业知识(以实现在室温下实现<10nm TE)的目标; 物理学(解决导致感兴趣的拓扑激发的可能相互作用以及用于研究它们的合适计量),化学(以解决合适的材料组合),工程学(开发概念证明结构以建立存储器和逻辑的拓扑激励应用) ,实现多功能材料,集成设计优化和高效电源使用。

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