软件可以将计算机从文字处理器转换为数值计算器再到视频电话。但是,底层硬件保持不变。现在,一种可以通过磁力而非电力切换的晶体管可能会使电路也具有可塑性,从而带来从智能手机到卫星等更高效、更可靠的小工具。
晶体管是所有现代电子设备核心的简单开关,通常使用微小的电压在“开”和“关”之间切换。电压方法非常可靠且易于小型化,但也有其缺点。首先,保持电压开启需要电力,这会增加微芯片的能量消耗。其次,晶体管必须硬连接到芯片中并且无法重新配置,这意味着计算机需要专用电路才能实现其所有功能。
位于韩国首尔的韩国科学技术研究院 (KIST) 的一个研究小组开发了一种可能解决这些问题的电路。该设备在 1 月 30 日发表于《自然》网站上的一篇论文中进行了描述,它利用磁性来控制电子流过半导体材料锑化铟的微小桥梁(S. Joo 等,《自然》http://dx.doi.org/10.1038/nature11817;2013)。IBM 在瑞士苏黎世研究实验室的物理学家 Gian Salis 说,这是“如何实现逻辑门的一种新的有趣的转变”。
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该桥梁有两层:下层具有过多的带正电的空穴,而上层主要填充带负电的电子。由于锑化铟不寻常的电子特性,研究人员可以使用垂直磁场控制电子流过桥梁。当他们将磁场设置在一个方向时,电子会被引导远离正底层并自由流动。当磁场翻转时,电子会撞击下层并与空穴复合 — 实际上是关闭开关(请参见“磁锁”)。
该研究的共同作者、韩国科学技术研究院的物理学家金东宋表示,磁性逻辑门无需电压即可保持开关打开或关闭的能力“可能会大大降低能量消耗”。更令人印象深刻的是,磁性开关可以通过简单地翻转磁场来启用或禁用电路,从而“像软件一样进行处理”。因此,例如,当用户在 YouTube 上观看剪辑时,手机可以重新编程其微电路的一小部分来处理视频,然后将芯片切换回信号处理以接听电话。这可以大大减少手机内部所需的电路体积。
该论文的共同作者、华盛顿特区海军研究实验室的马克·约翰逊补充说,这种可重新配置的逻辑在卫星中可能非常宝贵。如果芯片的一部分在轨道上发生故障,则可以简单地重新编程另一个扇区来接管。“您已经修复了电路,并且您是从地球上完成的,”他说。
然而,要真正流行起来,磁性逻辑必须与现有的基于硅的技术集成。这可能并不容易。日本东北大学从事纳米电子研究的研究人员室田纯一表示,一方面,锑化铟是电路中至关重要的半导体,它本身不太适合用于制造现代电子产品的制造工艺。但约翰逊表示,最终有可能使用硅构建类似的桥梁。
将控制设备所需的微型磁体集成到普通芯片中也并非易事。萨利斯说,公司应该能够解决这些挑战,但前提是他们认为这些设备是值得的。他补充说,目前尚不清楚这些设备是否能在实际芯片所需的尺寸下表现良好——远小于原型机的微米尺寸。
但约翰逊指出,磁性已经在电路设计中流行起来:一些先进的设备开始使用磁性版本的随机存取存储器,这种存储器历来仅使用传统晶体管构建。“我认为转变已经在进行中,”他说。