@ 2015.09.05 , 17:00
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用自旋造芯片,传输更快更流畅

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电子学以测量通过电路的电子的微小电荷为基础。正在研发的另一种方法则是自旋电子学,它依靠的不是电子的电荷,而是它们的另一种量子力学基本性质:自旋

自旋可以用地球一边自转同时绕太阳公转来形象地表示。一个电子以同样的方式,在围绕原子核旋转的同时绕自己的轴自转。自旋分为“上”或“下”。与传统电子学用电荷来代表信息的零和一一样,自旋电子学中的两种自旋态可以用来表示相同的二进制数据。

自旋会产生微小的磁场,因而可以测量。例如铁等铁磁性金属中,如果有足够多相同自旋方向的粒子,产生和自旋一致极性的磁场,就会有磁性。

自旋电子学相比传统电子学有几个优点。电子学需要专门半导体材料,以控制流过晶体管的电荷。但自旋可以在铜或铝等常见金属中很简单地测量。改变自旋所需的能量比在器件中产生电流以维持电荷更少。因此自旋电子学器件功耗更低。

自旋态可以快速设置,使得数据传输速度更快。因为电子自旋不依赖于能量,自旋是非易失性的——用自旋发送的信息即使掉电也仍然不变。

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一个硬盘驱动器,显示圆形盘片和安装在磁头臂末端的读写头。drive by mike mols/Shutterstock.com

用自旋升级硬盘

自旋电子学在计算机中的第一个应用程序使Albert Fert教授和Peter Grünberg教授因发现巨磁阻(GMR)而获得2007年不搞笑诺贝尔物理奖。他们意识到有可能使用电子自旋来提高从硬盘读取信息的速率,并研发了突破性的技术来利用这个特性。

硬盘驱动器将数据以磁性编码为一和零存储在驱动器内的旋转盘片上。电流通过安装在驱动器读写头上的线圈时就产生磁场,磁头在磁盘表面移动,改变盘片表面磁性敏感颗粒的排列。反转电流就会反转磁场;两个方向代表一和零。从磁盘读取时整个过程反过来进行。

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硬盘驱动器读/写头。 amagill, CC BY

GMR磁头由两个铁磁层组成,一个具有固定的磁场方向,另一个能与磁盘上编码的磁场自由对齐,一个非磁性层夹在中间。

当电子穿过磁场时,其自旋态可能会改变,这称为散射。电子具有随机分布自旋态时,就对电流产生较大的阻抗。通过把电子自旋态与磁头层中的磁场对齐,GMR技术大大减少了阻抗,加快数据传输。由IBM在1997年首先引入,巨磁阻技术已经带来了从前不可能的更快、更高密度的硬盘。

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把自旋放进内存

自旋电子学研究者们从那时起就一直致力于把同样技术引进计算机内存,致力于用磁性随机存取存储器(MRAM)取代以电流为基础的动态随机存取存储器(DRAM)。由EverSpin出品的首个商业产品,由于其对热应力和影响高海拔巡航飞机的宇宙射线暴露下的可靠性,已经应用在空客飞机和宝马摩托车上。

MRAM利用相同的基于自旋磁场的方法,但使用磁致电阻效应单元来存储数据,而不是像硬盘那样的旋转盘片。虽然它不如DRAM一样快,磁性单元能够不用电力就维持其存储的自旋方向,亦即它们所代表的数据。MRAM很可能会首先取代常用的闪存储器,如SD卡和CF卡,因为它速度更快、并且不受闪存有限寿命的困扰。

其他厂商如英特尔、高通、东芝和三星正在研发MRAM作为处理器的高速缓存,凭借其较小的尺寸,更大容量的MRAM芯片能被集成进更小的封装,而且运行更快,还比现行缓存功耗少至多80%

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随着电子学接近硅的极限,自旋电子元件将发挥重要作用,以确保我们享用稳定的性能提升,以及更低功耗和成本的更高容量存储。

本文译自 The Conversation,由译者 王丢兜 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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TOTAL COMMENTS: 19+1

  1. 马赛克
    @2 years ago
    2922271

    这个世界又多了一种你搞不懂的玩意 :)

    [57] XX [1] 回复 [0]
  2. 开你妹的玩笑
    @2 years ago
    2922276

    螺旋着么,学过波纹的都会

  3. 蹲得脚发麻
    @2 years ago
    2922277

    很多时候会觉得自己几乎已经被这个科技电光火石般飞速发展的时代抛弃了,看到这种不明觉厉的科技信息文总觉得耳边隐隐作响——时代的列车挟风呼啸而过,我站在原地只听见隆隆的声响——”战栗吧,凡人!“

    [37] XX [4] 回复 [0]
  4. Vanessa
    @2 years ago
    2922290

    自旋不是像陀螺的旋转,只是在数学上计算出粒子有个角动量,角动量数值不可改变,只是方向可以改变

  5. King5268
    @2 years ago
    2922291

    @蹲得脚发麻: 科技发展速度一点都不快好么!………我还想在有生之年看到人类殖民宇宙或者脑后插管呢!摔!

    [18] XX [0] 回复 [0]
  6. 大叫驴
    @2 years ago
    2922309

    科技界的千年老坟:
    电池革命
    能源革命
    存储革命

    [32] XX [2] 回复 [0]
  7. 2922335

    这样的储存材料不会被强磁场影响么?

  8. 哈生
    @2 years ago
    2922354

    @been: 所以机械硬盘即怕强磁又怕震动

  9. 小呀嘛小马甲
    @2 years ago
    2922365

    @大叫驴: 绿色革命

  10. 换JJ哥
    @2 years ago
    2922381

    SSD呢?

  11. jerrybie
    @2 years ago
    2922431

    不明觉厉

  12. 2922521

    虽然讲的很详细

  13. 2922524

    只要现在正用的技术遇到无法用钱来解决的问题,黑科技就会应运而生

  14. 四强
    @2 years ago
    2922694

    @蹲得脚发麻: Spintronics是80年代的事情了。工业界已严重落后于学术界了。你要想想在R&D工作的人,材料学来说,博士学历的全球有上千万人。还有电子工程的、物理的………….你如果能跟的上时代科技变化,那你才是神,复杂度这么大,已经没有人做的到掌控全局了,但你可以做的到在一个很小很小领域里很强。

  15. 游客
    @2 years ago
    2922821

    @蹲得脚发麻: 术业有专攻,并不需要赶上所有的科技,其实普通人那样对这些“常识”没什么追求是很好的,没必要在这些上面花费多余的精力去了解

  16. 碧蓝右耳
    @2 years ago
    2922981

    这个帖子特别适合用下面这段话来回复,请让我引用出来:

    科学界不是缺理论,工程界不是缺技术。大家都是缺钱。
    说实话,00年后,基本上第一流的科研人员全部都放弃学术了下海赚钱了,因为聪明人都看到了问题所在。一来目前的基础学术界研究的东西超前至少50年,全部缺乏实验论证。二来人太多,你憋了5年时间基础科学开出一个小领域,1年内上万人就接着你后面铺路。1975年才发了第一个cs的博士学位,40年过去了,cs已经变成了一个一个人一生都无法完全掌握的庞大无比的基础学科了,甚至渗入了其他学科,计量电磁,计量生物,计量数学。相对比物理数学的缓慢,这简直是人类史上最不可思议的学科成长史。为毛?钱多,人多。

    战后世代最好的粒子物理学家,夸克模型之父,George Zweig。他在投行。
    Stephen Wolfram,20岁的加州物理博士,费曼高徒,在卖软件。
    战后世代最好的几何学家,弦论数学基础的奠基人,James Simons,他在投行。
    还有很多这些人,普通人或许不知道,但是科研界都是地震级的存在,相当多是麦克瑟尔天才奖的获得者,这些人一一相继都离开了学术界,每次报告会里面神级的人越来越少。但你觉得他们是钱迷心窍吗?他们生活算不上奢华,即使他们赚了巨额的财富,他们用这些财富去支持前沿科学的研究,这些前沿科学的研究是不在科研界难以理解其重要性的。只有科学家,才能正确地评判科学家的工作。

  17. 碧蓝右耳
    @2 years ago
    2922983

    超一流的科学家,明白症结的关键,即是他们无法把一生所学让公众、二流的科学家、和目光短浅的政府funding source了解,在公众眼里,他们只是一群不懂社会运作的象牙塔的nerd。他们没有办法看着自己所关心的,科学上最根本的问题、最有可能成功的方向永远的因为缺钱被埋没、被搁置,所以他们能做的事,便是亲自去赚钱,然后根据自己眼光选择科研项目去投入资金,而他们拥有这个能力在任何行业都能有纯粹的智力碾压。
    至于科研资金该怎么分配,和决定这些分配的人的关系。只要看看中国就知道了,一个跟政治挂钩的学术体系科研资金是怎么被大量浪费在毫不需要那么多钱的项目上的。

    不妨再强调一次,不是理论,而是钱,是巨量的金钱支持的实验才能让我们继续在科技文明上进步。

  18. 碧蓝右耳
    @2 years ago
    2922986

    只要有钱,什么黑科技都能实现。

  19. 2923198

    确实,spintronics这个概念并不新。

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