加州大学(University of California)的物理学家们在创造一种新的计算机芯片上迈出了巨大的一步，这种芯片使内存成为CPU的大脑，有望极大地提高计算机性能，并使系统始终处于在线状态。
加州大学河滨分校(University of California at Riverside)的物理学家们在开发“自旋转计算机”方面取得了突破性进展，该计算机将逻辑与非易失性存储器结合起来，无需计算机启动。
一位首席科学家认为，这种新型晶体管技术将在大约5年内成为现实，它将降低功耗，最终使电脑、手机和其他电子设备能够一直开机。
当加州大学河滨分校的科学家成功地将一个自旋电子注入一种叫做石墨烯的电阻材料时，这一突破出现了。石墨烯本质上是一层非常薄的石墨，就像你可能在铅笔中发现的一样。这里的石墨烯是单原子厚度。
这个过程被称为“隧道自旋注入”。它需要在石墨烯中放置一个电子，然后代表一些数据。通过向石墨烯中注入多个比特，这些比特不仅可以以非挥发态(不需要电力)存储，而且这些数据可以用于石墨烯本身的计算。
上图显示的是不使用绝缘体时的电子流(虚线)。如图所示，当使用氧化镁绝缘体时，电子自旋极化的流动大大改善(下图)。(图片来源:川上实验室，加州大学河滨分校)
如果成功，研究人员将创造出一种芯片，消除计算机CPU和大容量存储设备(如硬盘驱动器或固态驱动器(SSD))之间的系统总线造成的输入/输出(I/O)瓶颈冯诺依曼瓶颈．
该项目的首席科学家之一、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)表示，使用隧道自旋注入技术制造的芯片的时钟速度将比目前的处理器快“数千倍”。
仍然存在的主要障碍之一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的位。目前，石墨烯自旋技术需要比DRAM或SRAM更大的功率来工作，Kawakami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，”川上说。“我们正在研究的是一个全新的概念。这基本上会给记忆一些大脑。”
研究人员还需要构建电路。那将是电气工程师的工作。
Kawakami的团队使用了一种半导体激光器来释放电子，这样它们就可以极化，并给出一个被称为“自旋”的方向。
电子可以“自旋向上”或“自旋向下”，从而可以获得更多数据存储根据该大学的说法，这在目前的电子设备中是可能实现的。一旦电子极化，它们就会在芯片的整个生命周期内保持不变，就石墨烯而言，这几乎是永恒的。
他说:“这种内存速度非常快，而且非常耐用。你移动原子。没有很大的磁场，”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。”
Kawakami的团队正在研究从铁磁电极到石墨烯的电子自旋注入，他说，到目前为止，这是低效的。电子的自旋寿命比理论上的短数千倍。“我们想要更长的自旋寿命，因为寿命越长，你可以做的计算操作就越多，”他说。
Kawakami的团队已经能够通过在铁磁电极和石墨烯层之间使用一纳米厚的绝缘层，即“隧道势垒”，来延长自旋寿命。他说，他们发现自旋注入效率显著提高。
Kawakami说:“我们发现，通过量子隧穿绝缘体和石墨烯注入自旋的效率提高了30倍。”
川上说，自旋计算的研究正处于一个类似于20世纪50年代从真空管转向晶体管的阶段。晶体管一旦制造出来，现代计算机的闸门就打开了。他预计，一旦自旋计算晶体管在大约5年内被创造出来，工业支持将会加大，消费产品也将在10年内跟进。
川上的三个研究生研究小组首次与该大学的电气工程师合作，他们正在设计将电子穿过石墨烯的电路。
本月早些时候，科学家们发现了石墨烯作为人类已知的最薄最强的材料的特性，这一发现引起了广泛的关注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。
到目前为止，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只有10个原子厚的石墨层制成。
该技术有潜力提供数倍于目前NAND闪存的容量，并能承受200摄氏度的温度和会使固态磁盘存储器崩溃的辐射。例如，这项技术将对卫星有用，因为卫星经常受到太阳辐射的轰击。
但是，专注于将记忆方面与隧穿自旋注入的计算能力结合起来的研究人员，现在有希望找到合适的材料。
“一方面缺少合适的材料(石墨烯)，另一方面也没有电路计算设计概念。这就像先有鸡还是先有蛋。一个人必须发展才能给另一个人动力，”川上说。
Lucas Mearian涵盖了计算机世界的存储、灾难恢复和业务连续性、金融服务基础设施和医疗保健IT。请在Twitter上关注卢卡斯@lucasmearian或订阅卢卡斯的RSS提要．他的电子邮件地址是lmearian@computerworld.com．
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这篇题为《研究人员向无启动计算机又迈进了一步》的文章最初发表于《计算机世界》 ．