軟體可以將計算機從文字處理器轉換為數值計算器再到影片電話。但是,底層硬體保持不變。現在,一種可以透過磁力而非電力切換的電晶體可能會使電路也具有可塑性,從而帶來從智慧手機到衛星等更高效、更可靠的小工具。
電晶體是所有現代電子裝置核心的簡單開關,通常使用微小的電壓在“開”和“關”之間切換。電壓方法非常可靠且易於小型化,但也有其缺點。首先,保持電壓開啟需要電力,這會增加微晶片的能量消耗。其次,電晶體必須硬連線到晶片中並且無法重新配置,這意味著計算機需要專用電路才能實現其所有功能。
位於韓國首爾的韓國科學技術研究院 (KIST) 的一個研究小組開發了一種可能解決這些問題的電路。該裝置在 1 月 30 日發表於《自然》網站上的一篇論文中進行了描述,它利用磁性來控制電子流過半導體材料銻化銦的微小橋樑(S. Joo 等,《自然》http://dx.doi.org/10.1038/nature11817;2013)。IBM 在瑞士蘇黎世研究實驗室的物理學家 Gian Salis 說,這是“如何實現邏輯閘的一種新的有趣的轉變”。
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該橋樑有兩層:下層具有過多的帶正電的空穴,而上層主要填充帶負電的電子。由於銻化銦不尋常的電子特性,研究人員可以使用垂直磁場控制電子流過橋樑。當他們將磁場設定在一個方向時,電子會被引導遠離正底層並自由流動。當磁場翻轉時,電子會撞擊下層並與空穴複合 — 實際上是關閉開關(請參見“磁鎖”)。
該研究的共同作者、韓國科學技術研究院的物理學家金東宋表示,磁性邏輯閘無需電壓即可保持開關開啟或關閉的能力“可能會大大降低能量消耗”。更令人印象深刻的是,磁性開關可以透過簡單地翻轉磁場來啟用或停用電路,從而“像軟體一樣進行處理”。因此,例如,當用戶在 YouTube 上觀看剪輯時,手機可以重新程式設計其微電路的一小部分來處理影片,然後將晶片切換回訊號處理以接聽電話。這可以大大減少手機內部所需的電路體積。
該論文的共同作者、華盛頓特區海軍研究實驗室的馬克·約翰遜補充說,這種可重新配置的邏輯在衛星中可能非常寶貴。如果晶片的一部分在軌道上發生故障,則可以簡單地重新程式設計另一個扇區來接管。“您已經修復了電路,並且您是從地球上完成的,”他說。
然而,要真正流行起來,磁性邏輯必須與現有的基於矽的技術整合。這可能並不容易。日本東北大學從事奈米電子研究的研究人員室田純一表示,一方面,銻化銦是電路中至關重要的半導體,它本身不太適合用於製造現代電子產品的製造工藝。但約翰遜表示,最終有可能使用矽構建類似的橋樑。
將控制裝置所需的微型磁體整合到普通晶片中也並非易事。薩利斯說,公司應該能夠解決這些挑戰,但前提是他們認為這些裝置是值得的。他補充說,目前尚不清楚這些裝置是否能在實際晶片所需的尺寸下表現良好——遠小於原型機的微米尺寸。
但約翰遜指出,磁性已經在電路設計中流行起來:一些先進的裝置開始使用磁性版本的隨機存取儲存器,這種儲存器歷來僅使用傳統電晶體構建。“我認為轉變已經在進行中,”他說。