磁微处理器能否实现最低能耗极限

根据加州大学伯克利分校电力工程师的研究，未来计算机可能使用一种由纳米磁铁制作的处理器，仅消耗物理定律所限的最低能量，这就是磁微处理器计算机。目前的硅基微处理器芯片依赖于电流，也就是运动电子，会产生大量的废热。如果用纳米磁铁，就像微型的冰箱磁铁那样，用来进行存储、逻辑运算与开关操作，理论上不需要电子。

“目前，我们正在研究一种直接用电压而不是外加磁场来控制磁性的方法，可以在没有外部磁场的情况下输入能量，比如用一种同时具有铁电、铁磁两种性能或更多种性能的多铁性材料。”博格说，“这种磁性技术对超低能量非常有用。同时我们还在寻找其他的方法，让它在速度、性能和稳定性方面更有竞争力。”
 

　　终极能效计算机

　　“目前的计算机运行要靠电流，通过电子在电路上的运动，完成各种信息处理功能。”加州大学伯克利分校电力工程与计算机科学系研究生布赖恩·拉姆森解释说，“但一种靠磁力工作的计算机不需要运动电子，如果用磁铁来存储数据、处理信息，只要把磁铁做得足够小，并把它们整装在一起，就会产生相互作用，支持运算、存储以及控制等所有计算机的功能。”

　　在室温下，这种芯片每次操作仅耗用18毫电子伏特的能量，这是热力学第二定律所允许的最小量，称为兰道尔极限，比目前计算机的每次操作耗能要低100万倍。

　　“原则上，我认为人们能造出按兰道尔极限运行的真实的电路。”加州大学伯克利分校电力工程与计算机科学教授、能效电子科学中心共同主管杰弗里-博格说，“即使这种电路的工作能效比兰道尔极限高一个数量级，也将带来巨大的节能效果，这将是彻底的革命。”

　　能效电子科学中心去年从美国国家科学基金会获得了2500万美元拨款，其中一个目标就是建造在兰道尔极限能量下运行的计算机。

　　向兰道尔极限能量进军

　　50年前，罗尔夫-兰道尔利用当时新型的信息论计算了一次逻辑运算所需要的最低能量，比如一次“and（和）”或“or（或）”的运算，根据热力学第二定律，会消耗一个固定值（kTln2）的热量。比如在一个标准逻辑门中，有2个输入和1个输出，当两个输入值都为正时，一个and运算产生一个输出值；而两个输入值中只要有一个为正，一个or运算就可产生一个输出值。该规则是一种不可逆过程，一次逻辑运算或擦去一个比特的信息，所消耗的能量无法恢复。也就是说，任何封闭系统的熵不可能减少。

　　在今天的晶体管和微处理器中，这一极限远远低于以热量形式散失的能量，热能损耗主要来自电阻。

　　2006年时，法国巴黎圣母大学的研究人员第一次用磁性纳米粒子成功地演示了一次逻辑操作，他们用16个耦合的纳米磁铁构造了3个输入主体的逻辑门。拉姆森对他们的磁性逻辑运算进行了热量分析，发现这种电路也能在兰道尔极限能量下运行。

　　目前已有许多科研团队和科学家，包括博格和拉姆森研究小组在内，致力于开发不依赖电子运动也能工作的计算机，向兰道尔极限进军。加州大学伯克利分校研究小组用一种简单的磁性逻辑电路和磁性存储设备对磁微处理的能效极限进行了检验。

　　他们用一种宽约100纳米、长200纳米的磁铁制作了磁性存储和逻辑设备。纳米磁铁也像其他磁铁一样有着南北两极，两极向上或向下的方向可用于表示计算机存储中的二进制代码0或1。此外，当多个纳米磁铁结合在一起时，它们的北极和南极通过两极间的力相互作用，显出晶体管的功能，能够实现简单的逻辑运算。

　　经过计算和计算机模拟证明，虽然尚未达到兰道尔极限，但一次简单的存储操作，如擦掉一个磁比特（也称恢复操作），所需的能耗非常小。由于兰道尔极限与温度成比例，将电路致冷到低温状态效率会更高。

　　“磁铁本身也可作为一种存储器，但真正的挑战是让电路和晶体管运行起来。”拉姆森说。

　　挑战极限任重道远

　　向兰道尔终极能效极限进军无疑还要克服很多困难。比如用于产生磁场、擦除或翻转纳米磁铁的极性的电流也会消耗许多能量，而理想状态下，新材料应当不再需要电流，除非是将一个芯片上的信息拷贝到另一个上面。其他方面的障碍还包括，当能耗降低后，设备会对随机的热波动、杂散磁场及其他噪声干扰更敏感，从而变得更不稳定。