摩爾定律的救星來了!英特爾研發超級晶片,最新量子材料讓尺寸大減 80%

隨著晶片的發展,晶片的尺寸近逼物理極限,摩爾定律將不適用;然而,一個來自美國的論文,讓摩爾定律出現延續的希望。英特爾和加州大學柏克萊分校的研究人員在自旋電子學領域取得突破進展,一旦這項技術能夠量產,可望研發出超級晶片,以延續摩爾定律的有效性。

目前主流電晶體是 CMOS ,但尺寸有 5 奈米的物理極限

摩爾定律是個經驗法則,指的是積體電路中可容納的電晶體數目,約 18 個月增加一倍,而這個定律主導科技產業數十年。目前的主流電晶體是 CMOS 電晶體,從 80 年代以來,大多數電子產品都仰賴 CMOS 電晶體,隨著積體電路可容納的電晶體數量增加,代表電子產品的尺寸也可以隨之縮小。

然而,CMOS 操作的原理涉及由絕緣柵極控制的可開關半導體電導率,但尺寸有 5 奈米的物理極限,目前電晶體的尺寸已逼近物理極限,代表電晶體的尺寸很難再縮小,導致摩爾定律終結。

MESO 體積比 CMOS 小 80%,摩爾定律可延續

但是英特爾和柏克萊大學的研究人員提出一種可伸縮的自旋電子邏輯元件,它透過自旋軌道轉導和磁電開關來工作。該裝置採用先進的量子材料,特別是相關氧化物和物質拓撲狀態,進行集體開關和檢測。

自旋電子邏輯元件原理示意圖,可以看到在電場 E 的改變下,原子自旋的磁場 Mc 也受到改變,因此可以代表電腦的 0 和 1 訊號,用於儲存資訊或傳遞訊息。詳細原理介紹請見 Berkeley News論文

根據他們的研究顯示,一旦其採用多鐵性和拓撲材料,放入邏輯和記憶體器件中,在相同空間下,MESO(magneto-electric spin-orbit;磁電旋轉軌道)裝置的邏輯運算會比 CMOS 高出 5 倍;除此之外,能源效率也比 CMOS 電晶體提升 10 到 100 倍。也就是說,未來的  MESO「超級晶片」,體積會比現在的晶片少 80% ,而且耗能降低超過 90% ,因為在單位面積的運算能力提升,電晶體尺寸可以再縮小,摩爾定律可望延續,人類能夠製造更精細的電子設備。

物聯網 AI 時代電腦耗能需求飆升, MESO 可提升能源效率

由於物聯網和人工智慧的崛起,未來電腦的能源效率需要再提升。根據美國能源局預估,目前電腦消耗的電能佔美國能源總消耗的 3%,但隨著物聯網和人工智慧發展,電腦使用量增加,數十年後,這個比例將飆升到 20% ,跟今日運輸所需要的能源相當。如果沒有更節能的電晶體,產業發展將受到阻礙。

此外,從國家戰略角度來看,如果沒有新的技術,美國在晶片方面的領導優勢,可能被其他國家的半導體廠商取代。

因此,這是英特爾與和加州大學柏克萊分校的研究人員,企圖以新材料讓 MESO 取代 CMOS 地位的原因。在自旋電子學技術下, MESO 有望在未來取代目前廣泛使用的 CMOS 電晶體,進而延續摩爾定律,也讓物聯網和人工智慧得以順暢發展。

參考資料來源:
1.《Berkeley News》:〈New quantum materials could take computers beyond the semiconductor era
2.《How Hard Ware》:〈Intel Looks Beyond CMOS With Low-Power Quantum-Based MESO Logic Devices
3.《國家實驗研究院》:〈 英特爾研發出新量子材料取代 CMOS,成為摩爾定律救命丹
(本文提供合作夥伴轉載。首圖來源:Intel & Berkeley News

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