28、用于节能存储和计算的纳米磁性与自旋电子器件

用于节能存储和计算的纳米磁性与自旋电子器件

1. 纳米磁体的节能优势

纳米磁体在信息存储和计算领域展现出巨大的节能潜力。一个单畴纳米磁体由约$10^4 - 10^5$个自旋组成，它们集体表现得像一个巨大的经典自旋，作为单一信息载体。相比之下，纳米磁体每比特切换仅消耗约$kT\ln(1/p)$的能量。在相同的误码概率$p$下，如果$N$很大，切换纳米磁体的最小能量与切换纳米晶体管的能量之比约为$1/N$，远小于 1。这使得纳米磁体本质上比晶体管更节能。

若采用单自旋逻辑（SSL）范式，用单个自旋的两个相互反平行的自旋极化来编码二进制位，理论上每次位翻转仅消耗$kT\ln(1/p)$的能量。然而，单个自旋在室温下极易出错，因为它很容易受到环境干扰而翻转。单畴纳米磁体在室温下比单自旋器件更能抵抗噪声，同时每次位切换也仅消耗约$kT\ln(1/p)$的能量。因此，基于单畴形状各向异性纳米磁体的纳米磁计算兼具低能耗和良好的抗热噪声能力。

2. 纳米磁性存储和逻辑器件的时钟电路能耗问题

纳米磁体相对于晶体管的内在能量优势引发了人们对各种基于纳米磁体的计算架构的兴趣。在一种名为“磁性量子元胞自动机（MQCA）”的纳米磁逻辑（NML）方法中，通过将纳米磁体以特定几何图案放置在表面上，利用它们之间的偶极相互作用来实现对编码在其磁化方向上的位进行所需的逻辑操作。为了配置任意组合或顺序的布尔电路，门通过二进制线“互连”，这些二进制线由一系列相互偶极耦合的纳米磁体组成。这些线通过顺序磁化切换来传输信息，本身具有节能特性。因此，二进制信息的传输（线）和处理（开关）都能以最小的能量消耗完成。

然而，并非所有的 NML 方案都能实现纳米磁体的能量优势，因为在各级之间