1、自旋电子与纳米磁性计算设备：超越CMOS的新前沿

自旋电子与纳米磁性计算设备：超越CMOS的新前沿

1. 背景与需求

在过去的70年里，互补金属氧化物半导体（CMOS）器件技术一直主导着电子领域。它以惊人的速度进行着小型化，遵循着著名的摩尔定律。然而，到本十年末，CMOS器件的进一步缩小可能会遇到障碍，主要问题是随着芯片上器件密度的增加，散热问题急剧加剧。

同时，嵌入式应用中对计算设备的能耗需求也在不断降低，期望能比当前的CMOS器件低2 - 3个数量级。移动和医疗应用尤其需要功耗极低的处理器，以便能利用环境能量进行供电，无需额外的电源。这将为可穿戴电子设备、用于监测患者健康的嵌入式医疗设备以及监测建筑物和桥梁等关键基础设施的传感器网络开辟众多应用前景。

2. 新兴设备概念

为了应对这些挑战，许多新的器件概念应运而生，有望取代CMOS器件，或在特定应用中与之互补，如非易失性存储器和逻辑电路，或实现一些CMOS器件难以实现的功能，如神经形态计算。这些新兴概念基于不同的物理机制来实现计算或信号处理，其中自旋电子和纳米磁性器件尤为重要，它们基于丰富多样的物理现象，催生出了众多不同的器件概念。

2.1 自旋电子器件

自旋电子器件利用电子的自旋属性来存储和处理信息，而非仅仅依赖于电荷。这种器件具有潜在的低能耗和高速操作的优势，为未来的计算和存储技术提供了新的方向。

2.2 纳米磁性器件

纳米磁性器件则利用纳米级磁性材料的特性，如纳米磁体的磁化方向可以用来表示二进制信息。以下是纳米磁体的一些关键特性和操作方法：
- 自旋扭矩切换 ：利用自旋扭矩来切换纳米磁体的磁化方向是一种常见的方法