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積體電路不再漏電的明天?潛力股 MESO 讓電腦手機更小更快!

活躍星系核_96
・2020/09/28 ・1487字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

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文/台大物理系大二學生 林彥全、林禹廷
台大數學系大二學生 董沛承

半導體 CMOS 積體電路設計製程末路

互補式金屬氧化物半導體 (CMOS) 是目前最廣泛使用於積體電路 (IC) 的設計製程,具有能量耗損較低、發熱量少等優點,所以現今的 IC 大多使用 CMOS 。但 CMOS 也逐漸遇到許多無法突破的極限,例如理想的電晶體在截止狀態時電流應該為零,但實際上依然有電流的存在,讓電晶體不斷耗電,就像關不緊的水龍頭一樣。

你可能會想:那把水龍頭鎖得更緊不就解決啦!可是把水龍頭鎖得更緊對應到電子元件就是加大電壓,加大電壓也會增加電路消耗的能量,所以 CMOS 已經沒辦法再更省電了。

除此之外,由於漏電流會隨著電晶體尺寸的縮小而增加,因此漏電流同時也限制了電晶體的大小,換句話說, CMOS 已經沒辦法再更小了。總而言之,為了做出更快、更省電的電腦,人類需要一種完全不同於 CMOS 的設計製程。

劃時代的發明:MESO 裝置突破的瓶頸

為解決 CMOS 在發展上遇到的瓶頸,英特爾與柏克萊大學的研究人員提出一種全新的裝置──磁電自旋軌道耦合裝置 (MESO) 。

MESO 的運作概念如下圖 1 所示,首先對裝置輸入電流(即輸入電荷訊息),再將此電荷的訊息透過磁電效應 (magnetoelectric effect) 轉變為磁場的資訊,儲存在磁鐵中(圖 2 紅色區塊),隨後通入電流 I 供給,並利用自旋軌道效應 (spin-orbit effect) 將存在磁鐵中的資訊以電流與電壓的形式讀出。

換句話說, MESO 能透過輸入電流(I 輸入)決定磁鐵磁性的方向以及輸出電流(I 輸出)的方向,並且能用 I 供給當作整個裝置的開關。

圖 1 :為電晶體示意圖。雖然電晶體處在截止狀態,但仍會有漏電流 (ISUB) 的情形。圖\wikipedia
圖 2 :磁鐵內部磁場與電荷的轉換模式

具體來說, MESO 的運作模式如圖 3 ,他具有兩種運作模式,當 I 輸入向 x 方向輸入時,磁鐵磁性指向 -y 方向, I 輸出向 -x 方向輸出(圖 3-A),反之亦然(圖 3-B)。裝置中,磁鐵的兩種狀態就可以當作數位電路中的 0 跟 1 。有了 0 跟 1 就可以拿來做很多事情,例如日常生活中可見的手機、電腦,都是由數位電路所構成。所以 MESO 可以替代 CMOS 成為新的積體電路製程。

圖 3 :MESO 的運作模式。圖\改編自《Scalable energy-efficient magnetoelectric spin–orbit logic

MESO 和 CMOS 的差在哪裡?

MESO 跟 CMOS 比起來好在哪呢?從上一段可以看到 MESO 的結構和 CMOS 完全不同,所以 MESO 沒有漏電流的問題,因此可以順利的將裝置縮小並減少供應電壓,將裝置縮小意味著 IC 能有更高的邏輯密度,而減少供應電壓就能減少每次開關時的能量損耗,讓我們能繼續提升運算速度,而不讓原件過熱。

此外,相較於 CMOS ,由於使用磁鐵的磁性作為儲存訊息的媒介, MESO 具有非揮發性(關閉時仍能保持訊息),因此可從待機迅速回到運作狀態,有著巨大的優勢。

MESO 可以在沒有恆定電流的情況下維持磁性,且能在超低功率的情況下運行,相較於傳統 CMOS 消耗的能量更少,運算速度也更快。對未來的發展,如人工智慧或是你家電腦等需要大量與運算的裝置提供更高效能的晶片。

不過,MESO 仍處於研發階段,有許多關鍵材料與技術尚未開發,距離商業化仍需一段時間,但相信將來 MESO 將會延續摩爾定律,創造超越 CMOS 的新世代。

參考資料

  1. Sasikanth Manipatruni, Dmitri E. Nikonov, Chia-Ching Lin, Tanay A. Gosavi, Huichu Liu,Bhagwati Prasad, Yen-Lin Huang, Everton Bonturim, Ramamoorthy Ramesh & Ian A.Young.(2019)《Scalable energy-efficient magnetoelectric spin–orbit logic》
  2. Sasikanth Manipatruni, Dmitri E. Nikonov, Chia-Ching Lin, Tanay A. Gosavi, Huichu Liu,Bhagwati Prasad, Yen-Lin Huang, Everton Bonturim, Ramamoorthy Ramesh & Ian A.Young.(2019)《Scalable energy-efficient magnetoelectric spin–orbit logic_Supplement》

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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解析「福衛七號」的觀測原理——它發射升空後,如何讓天氣預報更準確?

科技大觀園_96
・2021/10/25 ・2915字 ・閱讀時間約 6 分鐘

2019 年 6 月 25 日,福爾摩沙衛星七號(簡稱福衛七號)在國人的引頸期盼下升空。一年多來(編按:以原文文章發佈時間計算),儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道,但已經回傳許多資料,這些資料對於天氣預報的精進,帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題,就是福衛七號傳回的資料,對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻,得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星,軌道高度 700~800 公里,以 72 度的傾角繞著地球運轉(繞行軌道與赤道夾角為 72 度)。這些衛星提供氣象資訊的方式,是接收更高軌道(約 20,200 公里)的 GPS 衛星所放出的電波,這些電波在行進到氣象衛星的路程中,會從太空進入大氣,並產生偏折,再由氣象衛星接收。換句話說,氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的,而是因為大氣的折射,產生了偏折,藉由偏折角可推得大氣資訊。

▲低軌道衛星(如福衛三號)持續接收 GPS 衛星訊號,直到接收不到為止,整個過程會轉換成一次掩星事件,讓科學家取得大氣溫濕度垂直分佈。圖/黃清勇教授提供

氣象衛星會一邊移動,一邊持續接收電波,直到接收不到為止,在這段過程中,電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣,逐漸變為最底層、最接近地面的大氣,科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角,通過計算回推出折射率,而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ,因此可再藉由每個高度的大氣折射率,得出溫濕度垂直分布,這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料,可以納入數值預報模式,進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時,必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式,可以模擬任何一個位置的氣塊的運動,但是因為大氣環境非常複雜,模擬時不可能納入全部的動力條件,因此模擬結果不一定正確。而另一方面,掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊,楊舒芝形容:「觀測就像拿著照相機拍照,不管什麼動力方程式,拍到什麼就是什麼。」但是,觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置,我們才會有觀測資料。

所以,我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料,另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者,找到一個最具代表性的大氣初始分析場,再以這個分析場為起點,去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

中央大學分別模擬 2010 年梅姬颱風和 2013 年海燕颱風的路徑,發現加入福三掩星觀測資料之後,可以降低颱風模擬路徑的誤差。圖/黃清勇教授提供

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係,因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時,帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響,做了許多模擬與研究,發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑,以及豪大雨的降雨區域及雨量等,納入福衛三號的掩星觀測資料,都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明,由於颱風都是在海面上生成的,而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料,相較於一般位於陸地上的觀測站,更能夠取得海上大氣資料,因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面,這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境,例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確,那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究,加入福衛三號的掩星觀測資料,平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里,相當於改進了 5%。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊,還需要風場資訊的協助,楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例,一般來說豪大雨都發生在山區,但這次的豪大雨卻集中在海岸邊,而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式,楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

從 2008 年 6 月 16 日的個案發現,掩星資料有助於研究團隊掌握西南氣流的水氣分佈。上圖 CNTL 是未使用掩星資料的控制組,而 REF 和 BANGLE 皆有加入掩星資料(同化算子不一樣),有掩星資料可明顯改善模擬,更接近觀測值(Observation)。圖/黃清勇教授提供

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休,福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星,不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉,取得的資料點分布比較均勻,高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下,福衛七號的傾角只有 24 度,它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間,對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說,密集度更高;加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星,還增加了俄國的 GLONASS 衛星,這些因素使得在低緯度地區,福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍,每天可達 4,000 筆。

福衛三號與福衛七號比較表。圖/fatcat 11 繪

另一方面,福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進,可以獲得更低層的大氣資料,而因為水氣主要都集中在低層,所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號,其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化,而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時,最直接觀測到的數據,相較之下,折射率是計算出來的,就像加工過的產品,一定有誤差。因此,近來各國學者在做數值模擬時,愈來愈多都是直接納入偏折角,而不採用折射率。黃清勇解釋:「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度,也會增加運算所需的時間,而預報又是得追著時間跑的工作,因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步,因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

由左至右依序為,楊舒芝教授、黃清勇特聘教授、陳舒雅助理研究員。圖/簡克志攝

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道,不過這一年多來的掩星觀測資料,已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報,準確度提升了 4~10%;陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例,成功地利用福衛七號的掩星觀測資料,模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號,還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星,預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波,然後推估風速。可以想見,一旦有了獵風者的加入,我們對大氣環境的掌握度勢必更好,對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧!

科技大觀園_96
952 篇文章 ・ 245 位粉絲
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