芯片性能提升5倍，能耗降低30倍！英特爾黑科技來了

摘要：據外媒報導，英特爾近日已在“自旋電子學”的技術領域取得新進展。當地時間本周一，英特爾和加州大學伯克利分校的研究人員在《自然》雜誌上發表的一篇論文中，公布了他們的自旋電子學研究進展。該論文的第一作者是英特爾組件研究小組的項目負責人Sasikanth Manipatruni。

幾十年來，芯片始終依賴於互補金氧半導體電路（CMOS）技術。雖然CMOS電子元件仍遵循摩爾定律，但隨著元件大小越來越接近單個原子尺寸，現有的芯片製程技術已經越來越逼近了物理極限。例如，寬度為 10nm 的晶體管柵極結構，其允許誤差僅為 1nm，這僅相當於3至4個原子層的厚度。而芯片製程要繼續往3nm甚至是1nm製程推進將面臨更多的困難，很快摩爾定律可能將難以為繼。

延續“摩爾定律”的新技術

而為了推動摩爾定律在未來的繼續前進，以及可能的後摩爾時代的到來，英特爾很早就開始積極研究如納米線晶體管、III-V 材料（如砷化镓和磷化銦）晶體管、矽晶片的3D堆疊、高密度記憶體、（EUV）光刻技術、自旋電子（一種超越CMOS的技術，當CMOS無法再進行微縮的時候，這是一種選擇，可提供非常密集和低功耗的電路）、神經元計算、量子計算等一些列前沿技術項目。

神經擬態計算芯片Loihi

早在去年9月底的時候，英特爾就公布了其首款神經擬態計算（類腦）芯片Loihi，這是全球首款具有自我學習能力的芯片。

據介紹，Loihi採用的是異構設計，由128個Neuromorphic Core（神經形態的核心） 3個低功耗的英特爾X86核心組成，號稱擁有13萬個神經元和1.3億個觸突。

與其他典型的脈衝神經網絡相比，在解決MNIST數字識別問題時，以實現一定準確率所需要的總操作數來看，Loihi芯片學習速度提高了100萬倍。與卷積神經網絡和深度學習神經網絡相比，Loihi測試芯片在同樣的任務中需要的資源更少。

此外，在能效比方面，與訓練人工智能系統的通用計算芯片相比，Loihi芯片的能效提升了100倍以上。

量子計算

量子計算是利用量子疊加和量子糾纏來實現邏輯運算，量子電腦則擁有超強的計算能力。業界普遍認為，量子計算將是一種顛覆性的新技術。

著名量子資訊學家郭燦森曾解釋，理論上：擁有 300 個量子比特的量子電腦就能支持比宇宙中原子數量更多的並行計算。量子電腦能夠將某些經典電腦需要數萬年來處理的複雜問題的運行時間縮短至幾秒鐘。如果形象的比喻，那麽就是自行車與飛機的速度差異。

所以，我們可以看到近年來IBM、谷歌、英特爾以及國內的眾多研究機構都在積極的進行量子芯片的研發。

英特爾將超導量子計算測試芯片的量子位從 7、17 提高到 49(從左到右)

今年1月9日，英特爾在美國拉斯維加斯CES展上宣布，其已向合作夥伴交付首個49量子位量子計算測試芯片 “Tangle Lake”。

在英特爾公司副總裁兼英特爾研究院院長Michael C. Mayberry看來，相對於傳統計算，量子計算最大的優勢是可以並行地運行數據，它表示數據的能力達到傳統電腦的50倍，使得我們可以處理在固定記憶體時間內傳統電腦解決不了的問題。

除了在神經元計算、量子計算方面的進展之外，現在英特爾在自旋電子技術等方面也已經取得了突破。

英特爾在“自旋電子學”技術領域取得新進展

雖然英特爾在神經元計算、量子計算方面都有了不錯的進展，但是這量項技術要想走向商用還需要很長的一段時間。現在英特爾在另一項能夠推動摩爾定律的新技術——自旋電子技術方面也已經取得了突破。而且相對於前兩項技術，後者有望更快一步走向商用。

自旋電子學技術原理

我們都知道，當電荷打開或關閉調節電子流動的門的時候，標準的CPU會將其讀取為0或1。同樣的道理，自旋電子學技術的基本原理是，通過精確控制電子“朝上”或“朝下”自旋的特性，將這些朝相反方向旋轉的電子排列在薄膜等物質上，形成磁場，“當你把自旋方向設定為‘上’，將其定義為‘1’，然後將其置於磁場中使方向改變180度，那麽它就從‘1’變成了‘0’；如果改變360度，那麽它就維持‘1’不變。”我們就得到了電子計算需要的“０”和“１”。這也使得自旋電子學技術可以被應用到存儲和數據處理當中。

其實，自旋電子學誕生至今已經有二十多年。1997年國際商用機器公司就利用自旋電子學原理生產出了新型磁頭，正是這種磁頭使電腦硬碟的數據存儲量在過去幾年內提高了40倍。眾多的芯片製造商也認為，自旋電子學技術可以被用於下一代的計算芯片當中。

而採用自旋電子學原理生產出來的計算芯片，其運算速度將大大快於今天的半導體芯片，而且能耗極低，幾乎不發熱。因為在沒有恆定電源的情況下，自旋電子器件可以保持其磁性，這是傳統矽記憶體芯片仍然需要的。由於它們不需要恆定電源，因此自旋電子設備可以在超低功率水準下運行。與傳統的芯片相比，這些器件產生的熱量要少得多。

但是，基於自旋電子技術的芯片的納米級結構中不可避免的缺陷也將改變它們的動量，並且由於動量影響旋轉，電子的速度或軌跡的變化可以在它們被處理器讀取之前改變它們的預期自旋狀態，可能導致亂碼。另外，還需要使得電子的自旋方向必須能被輕易改變，又能在較長時間內穩定地保持這一方向。

這也使得要研製出採用這種技術的中央處理器芯片變得非常的困難。

不過，近年的研究發現，採用鉍氧化銦的材料來作為晶體材料，可以具有一組原子對稱性，可以將電子的旋轉固定在某個方向上，與其動量無關。而鉍氧化銦的原子對稱性也存在於其他晶體材料中，這也意味著通過新的晶體材料，工程師可以使用電壓來控制電子旋轉，而不必擔心缺陷如何會影響電子的動量。這也為基於自旋電子技術的電腦芯片打開了大門。

MESO可使芯片性能提升5倍，能耗降低30倍！

據外媒報導，英特爾近日已在“自旋電子學”的技術領域取得新進展。當地時間本周一，英特爾和加州大學伯克利分校的研究人員在《自然》雜誌上發表的一篇論文中，公布了他們的自旋電子學研究進展。該論文的第一作者是英特爾組件研究小組的項目負責人Sasikanth Manipatruni。

論文介紹一種結合了自旋電子技術的名為“磁電旋轉軌道”（MESO）的邏輯元件，採用了多鐵性材料（具有氧、鉍和鐵原子的晶格）和拓撲材料，提供有利的電磁屬性，以便可存儲資訊和邏輯運算。

多鐵晶體結構：多鐵性材料的單晶鉍 - 鐵 - 氧化物。鉍原子（藍色）在立方體的每個面上形成具有氧原子（黃色）的立方晶格，並且在中心附近形成鐵原子（灰色）。稍微偏離中心的鐵與氧相互作用以形成電偶極子（P），其耦合到原子（M）的磁自旋，使得用電場（E）翻轉偶極子也會使磁矩翻轉。材料中原子的集體磁自旋對二進製位0和1進行編碼，並允許資訊存儲和邏輯運算。

在這篇論文中，研究人員指出，他們已將多鐵電磁電開關所需的電壓從3伏降低到500毫伏，並預測應該可以將其降低到100毫伏。這隻相當於CMOS（互補金屬氧化物半導體）晶體管所需電壓的五分之一到十分之一。較低的電壓意味著較低的能耗：將位從1切換為0的總能量將是CMOS所需能耗的十分之一到三十分之一。

同時研究人員還表示，相對於基於CMOS的處理器來說，基於MESO的處理器能夠提供10到100倍能效。因為他們無需激活即可保留資訊，所以還可以在設備閑置時提供更加節能的睡眠模式。此外，基於MESO的邏輯運算速度也比CMOS高出五倍，延續了部門面積計算力提升的趨勢。

按照上面的數據換算來看，英特爾利用自旋電子技術可以在保持現有的CMOS芯片的性能下，將芯片尺寸縮小到目前尺寸大小的五分之一，並將降低能耗90-97%。

顯然，項技術一旦商業成功，將可為近年來處理性能增長平平的芯片產業帶來巨大的動力，將推動摩爾定律繼續前行。

“我們正努力就下一代晶體管引領行業和學術創新的浪潮，”英特爾組件研究小組的項目負責人Sasikanth Manipatruni在論文中寫道。

編輯：芯智訊-浪客劍