計算機耗能大？磁性芯片來幫忙

圖示磁性計算機內3個納米磁位的顯微圖像。每個磁位都是一個僅90納米長的微型條形磁鐵。

材料牛注：你一定想讓自己的計算機運行的更快，殊不知，計算機運行速度越快，會導致計算機耗能越大。在這個倡導節能減排的時代里，如何降低能耗成為研究的重中之重。而在降低計算機耗能這個問題上，加州大學伯克利分校的研究者們發現磁性芯片在該節能領域上脫穎而出。

加州大學伯克利分校的研究者們在研究節能型計算機上取得巨大成就，首次提出在基于熱力學定律上，磁性芯片能依靠最低的基本能耗來運行計算機。

這項研究結果發表在2016年3月11日的Science Advances上，提到磁性芯片可顯著降低能耗，耗能幾乎為現代計算機中晶體管運行所耗能的百萬分之一。

該研究對那些需要強大的處理器，而又僅僅依靠微小、輕便的電池來運行一天或以上的移動設備而言是至關重要的。在大型的工業模式下，隨著計算機處理逐漸轉入云盤，巨大云端數據處理對電力的需求也越來越多，因而耗電量在整個國家，乃至世界的輸電網絡的份額也越來越大。

論文的第一作者Jeffrey Bokor，是加州大學伯克利分校電氣工程及計算機科學院的教授、伯克利國家實驗室的研究員。他提到：“在計算機設計及當今的電子工業領域，最大的挑戰是如何降低它們的能耗。因此我們想知道我們究竟能將計算機的耗電量降低至多少。”

數十年以來，計算機設計僅強調在芯片上裝上數量眾多，微小而運行速度快的晶體管，而最近降低能耗的關注點開始逐漸轉至芯片制造上。

同時也是國家科學基金支持的設立在加州大學伯克利分校的科學和技術中心、節能電子科學中心的副院長Bokor表示：“晶體管運行速度越快，能量需求也越大，因而芯片溫度會很高，更有甚著，會致使其熔化。”

傳統晶體管一般是依靠電子在0和1之間轉換而進行工作。大概是由于電阻存在的緣故，晶體管一般需要耗費相當量的能量以確保信號在兩個狀態下自由切換的同時，實現準確、可辨別，而這也將導致額外的熱量產生致使芯片發熱。因此研究者們一直試圖找到傳統晶體管的替代者。

磁性計算機

磁性計算機將作為一個最有前景的候選者出現，因為磁位可依靠方向來辨別，并且僅僅耗費能實現磁體左右指向切換的能量。

Bokor：“有兩個等能量的位點，因此我們不需要耗費能量來創建一個高能量或低能量狀態。”

Bokor和本校的分子鑄造實驗室的博士后研究生Jeongmin Hong、研究生Brian Lambson及Scott Dhuey共同合作這個項目。

他們在實驗上檢測并證實了蘭道爾極限，這個以IBM研究實驗室的Rolf Landauer命名的量，Landauer在1961年發現任何計算機，每個信號位運行都必須耗費一個必須的極小量的能量。

Landauer的發現都基于熱力學第二定律，即任何物理系統的狀態都是從高濃度轉向低濃度，有序變得無序。無序度稱為熵，并且表現為余熱。

Landauer建立了一個公式來計算電腦運行所需要耗費的最低能量。計算結果取決于計算機的溫度；室溫下，極點大約3 zJ（3 zeptojoules，1 zJ=10-21J），或為一個原子輻射一個光子的能量的百分之一。

該研究團隊利用新技術來測量改變一個納米磁位所產生的微量能耗。研究者們將一個激光探針緊隨著磁體的指向，施加外磁場使磁體旋轉從“上”至“下”，反之亦然。

他們提出磁性芯片僅耗費千分之15電子伏的能量，相當于3 zJ，即室溫下轉換一個磁位的能耗，有效的證實了蘭道爾極限。

這是首次在實踐上，表明存儲位在一定條件下可達到蘭道爾極限。雖然Bokor和他的團隊早在2011年就已發表論文稱這在理論上可實現，而到現在也沒有被證實。

然而這篇論文只是一個定律的證明，將該芯片付諸于實際生產還需要很長的一段時間。但論文的作者也指出“這些研究結果的意義在于指出了如今的計算機離運行的最低能量限值還差很多，表明未來實現顯著降低能耗也是有可能的。”

這項研究結果發表在2016年3月11日的Science Advances上。

原文參考地址：Magnetic Chips to Dramatically Increase Computing's Energy Efficiency?

本文由劉萍提供素材，由丁菲菲翻譯。