美国加州大学的物理学家们在开发一种新的电脑芯片方面又向前迈进了一大步，这种芯片可以为内存提供中央处理器的大脑，这将极大地提高电脑的性能，并使系统始终处于工作状态。
加州大学河滨分校(University of California at Riverside)的物理学家在开发一种“自旋计算机”方面取得了突破，这种计算机可以将逻辑与非易失性存储器结合起来，而无需启动计算机。
一名首席科学家认为，新的晶体管技术可能在大约五年后成为现实，它将降低电力消耗，最终使电脑、手机和其他电子设备可以一直使用。
这项突破来自于加州大学河滨分校的科学家们成功地将一个旋转的电子注入到一种叫做石墨烯的电阻材料中。石墨烯本质上是一层非常薄的石墨，就像你在铅笔中看到的那样。这种情况下的石墨烯只有一个原子那么厚。
这个过程被称为“隧道自旋注入”。It involves laying down an electron in the graphene, which then represents a bit of data. By injecting multiple bits into the graphene, they can not only be stored in a nonvolatile state (without the need of electricity), but the data can be used for computations in the graphene itself.
上图显示了没有使用绝缘体时的电子流动(虚线)。如图所示，使用氧化镁绝缘子后，电子自旋极化的流动得到了很大的改善(下图)。(图片来源:加州大学河滨分校川上实验室)
如果成功的话，研究人员将研制出一种芯片，它可以消除计算机CPU和硬盘或固态硬盘(SSD)等大容量存储设备之间的系统总线造成的输入/输出(I/O)瓶颈冯诺依曼瓶颈。
加州大学河滨分校(UC Riverside)物理学和天文学副教授罗兰·川上(Roland Kawakami)是该项目的主要科学家之一。他说，利用隧道自旋注入技术制造的芯片的时钟速度将比现在的处理器“快数千倍”。
仍然存在的一个主要障碍是找到一种低功率的方法来诱导电子被磁场翻转，把它们变成代表0或1的比特。川上说，目前，石墨烯自旋技术需要比DRAM或SRAM更大的能量才能工作。
川上说:“如果你能降低所需的能量，那么你就能降低支撑电路的尺寸。”“我们正在研究的是一个全新的概念。这将从本质上赋予记忆一些大脑。”
研究人员还需要构建电路。这将是电气工程师的工作。
川上教授的研究小组使用半导体激光来释放电子，使它们极化，并赋予它们一个方向，即所谓的“自旋”。
电子可以“自旋向上”或“自旋向下”，并允许更多的数据存储根据该大学的说法，这在目前的电子设备上是可能实现的。一旦电子被极化，它们就会在芯片的寿命内保持在原位，而在石墨烯的情况下，这几乎是一种永恒。
“所以这种类型的内存可以非常快，也可以非常持久。你移动原子。没有大磁场，”川上说。“我是那些一想到这项(新技术)可能有用就畏缩不前的研究人员之一。我认为，对我们来说，也许在五年内，我们可以让一台设备工作。”
川上隆的团队正致力于将铁磁电极的电自旋注入石墨烯，但迄今为止效率低下，他说。从理论上讲，电子的自旋寿命比它们应该达到的时间短了几千倍。“我们想要更长的自旋寿命，因为寿命越长，你能做的计算操作就越多，”他说。
川上教授的团队已经能够通过在铁磁电极和石墨烯层之间使用纳米厚度的绝缘层，即所谓的“隧道屏障”，来延长自旋寿命。他们发现自旋注入效率显著提高，他说。
川上说:“我们发现，自旋通过量子隧穿穿过绝缘体注入石墨烯的效率提高了30倍。”
川上说，自旋计算的研究正处于类似于20世纪50年代真空管向晶体管转变的阶段。一旦发明了晶体管，现代计算机的闸门就打开了。他预计，一旦自旋计算晶体管(spin computing晶体管)在大约5年内问世，工业支持力度将加大，消费产品将在10年内跟上。
川上由三名研究生组成的研究团队首次与该大学的电气工程师合作，后者正在设计将电子穿过石墨烯的电路。
石墨烯在本月早些时候声名狼藉，因为科学家们发现它是人类已知的最薄、最坚固的材料获得了诺贝尔物理学奖。石墨烯是由碳原子和看起来像铁丝网或格子通过电子显微镜。
迄今为止，自旋电子学的发展完全是面向存储器的。两年前，莱斯大学的另一组研究人员演示了一种数据存储介质由一层只有10个原子厚的石墨制成。
这项技术有潜力提供的容量是目前NAND闪存的许多倍，并能承受200摄氏度的温度和辐射，这将使固态硬盘内存解体。例如，这项技术在卫星上是有用的，因为卫星经常受到太阳辐射的轰击。
但是，研究人员专注于将记忆方面与隧穿自旋注入的计算能力结合起来，现在他们希望找到合适的材料。
他说:“我们所缺少的一方面是合适的材料(石墨烯)还没有出现，另一方面是电路计算的设计理念还没有出现。就像鸡和蛋一样。一个人必须发展给另一个人动力，”川上说。
卢卡斯米瑞恩涵盖存储，灾难恢复和业务连续性，金融服务基础设施和医疗信息技术的计算机世界。在Twitter上关注卢卡斯@lucasmearian或订阅卢卡斯的RSS提要。他的电邮地址是lmearian@computerworld.com。
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这篇文章，“研究人员离‘无靴’计算机又近了一步”最初发表于《计算机世界》 。