MIT 研發「自旋波」運算技術:耗電量比傳統電腦低,有望應用於量子運算

電磁波除了傳輸訊號,未來還能用來「運算」。近期 MIT(麻省理工學院)科學家在《Science》期刊發表自旋波運算技術,藉由調整自旋波的狀態來代表 0、1 位元,讓電腦執行運算。

比起傳統的電子運算,自旋波運算的效能比電子運算還高,若應用在電腦、手機上,有望解決系統過熱問題,降低 CPU 散熱需求,可以打造更輕、更節能的運算設備。

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傳統電腦用電子運算,產生大量廢熱

傳統電腦使用電子運算,但這種運算方式的效能較差,會產生大量廢熱,不僅能源使用效率低,還必須安裝散熱系統,增加電腦的體積與重量,並用額外的能源來「散熱」。

因此科學家尋找新型的運算方式,而自旋波是可行的替代方案。自旋波(spin wave)是電子的一種量子特性,由許多電子的自旋組成。自旋波運算的優點,是它消耗的電能極少,幾乎不產生廢熱。但是自旋波需要透過電流控制,而過去的控制介面是尺度較大的塊材(bulky component),有訊號雜音的問題,運算性能也難以提升。

近期,MIT 的科學家透過奈米尺度的疇壁(domain wall)控制自旋波的狀態,讓它精確的代表 0、1 兩個位元,提升自旋波運算的可行性。

研究人員使用奈米尺度的磁疇壁,改變自旋波的相位

詳細構造是這樣的:研究人員打造了奈米尺度的磁疇壁(magnetic domain wall),並將它置入於一種具有特殊晶格結構的磁性材料中間。在電路的一側,研究人員激發材料,讓它產生自旋波,當自旋波穿過磁疇壁時,磁振子(magnon)就會沿著相反的方向旋轉,導致自旋波的相位、震幅變化,讓電腦執行運算。

但自旋波通過磁疇壁時,自旋波的會相位急遽變化,導致傳輸功率下降。實驗中,研究人員在電路的另一側設置了天線,用來檢測和傳輸輸出的訊號。結果證實,輸出的訊號相位翻轉了 180 °,強度比輸入的自旋波明顯下降。

藉由磁疇壁,科學家可以調整自旋波的相位和振福,讓電腦執行運算。圖片來源:MIT News

自旋傳遞轉矩現象:磁疇壁因為自旋波而位移

科學家從上述現象,發現自旋波與磁疇壁間的交互作用。沒有磁疇壁,電路會均勻磁化(uniformly magnetized);有了磁疇壁,電路就會產生分裂的調變波(split, modulated wave)。

透過控制自旋波,研究人員也發現,磁疇壁的位置可以控制。研究人為提升自旋波的能量,誘發磁振子自旋,磁疇壁因此被拉向波源;這種現象稱為「自旋傳遞轉矩」(spin-transfer torque)。研究團隊使用磁式電子顯微鏡觀測,證實磁疇壁有微米等級的位移。

參與研究的 Luqiao Liu 用水管的比喻說明上述現象:「這整個電路就像是個水管,閥門(籌壁)控制通過水管(介質材料)的水流(自旋波),如果把水加壓到一定程度,它就會衝破閥門,將水往下推,但不同的是,自旋波加強到一定程度,它會移動磁疇壁,但不是往下方推,而是往波源的方向拉。」

除了傳統 0、1 位元運算,自旋波也有望應用於量子運算

這種透過自旋波的運算技術,未來可以進行波的相關運算,例如快速傅立葉變換(fast Fourier transform)等訊號處理技術。研究團隊的下一個研究目標,是優化材料,減少訊號雜訊,並加快自旋波狀態的變換速度。

此外,研究團隊也打算研究雙重通道,讓兩個自旋波產生量子干涉,因而執行量子運算,提升自旋波運算的速度。

Luqiao Liu 表示,「人類正在尋找矽以外的運算材料,自旋波運算是可行的方案,藉由磁疇壁,我們可以控制自旋波,讓它產生兩種不同的狀態,分別代表 0、1 位元。此外,它們消耗的能量極低。」

用自旋波運算聽起來很「玄」,但如果成功商用的話,就可以省去散熱元件的重量,打造更輕、更節能的電腦;若成功開發量子運算模式,這也將成為量子電腦的一種方案。不知道未來發展會如何,我們就期待這款新科技吧!

參考資料來源:
1.《Science》:〈Mutual control of coherent spin waves and magnetic domain walls in a magnonic device
2.《MIT News》:〈Toward more efficient computing, with magnetic waves
3.《DeepTech 深科技》:〈 麻省理工华人学者用电磁波计算:具有高效潜力,不散热且耗电极少
(本文提供合作夥伴轉載。首圖來源:Pixabay CC Licensed)

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