積體電路不再漏電的明天?潛力股 MESO 讓電腦手機更小更快!

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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

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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