为摩尔定律续命? 自旋电子技术暂难当大任

1965年,英特尔公司的共同创始人戈登·摩尔发布了被奉为“信息技术第一法则”的摩尔定律。该定律指出,集成电路上可容纳的元器件数目每18个月约翻1倍。

在过去的半个多世纪里,摩尔定律为半导体工业的发展节奏设定了基本步调。自摩尔定律提出以来,不论是从单个芯片晶体管数目角度,还是从微处理器芯片、半导体存储器以及系统软件角度来考察,摩尔定律的预言与现实都惊人地吻合。可芯片上晶体管的尺寸不可能无限制地缩小下去,芯片单位面积上可集成的元器件数目会达到极限。因此,唱衰摩尔定律的声音也越来越盛,不断有人预测出该定律失效的时间,或许是10年,或许是15年。

前不久,英特尔公司和加州大学伯克利分校研究人员借助自旋电子(MESO)技术,研发出一种名为“磁电旋转轨道”的逻辑元件,可将常见芯片元器件尺寸缩至当前的1/5,同时可降低能耗超90%。有业内人士估计,科研人员可借助这一元件,研发出“超级芯片”,为摩尔定律“续命”。

那么,自旋电子技术到底是何方神圣?它真能让摩尔定律延续辉煌吗?

用自旋作信息载体,大幅降低能耗

“自旋电子技术,利用电子自旋作为信息载体,通过调控与操纵自旋,实现数据存储、逻辑运算等。”南开大学电子信息与光学工程学院副教授董红在接受科技日报记者采访时说。

电荷与自旋是电子的两个内禀属性。19世纪以来,人类开始调控电子的电荷属性,发展了以半导体为基础的微电子学,奠定了第三次产业革命的基础。

0和1,是计算机记录和存储的底层语言。传统电子器件依赖电荷产生这两个数字,而自旋电子器件则依赖自旋。

“就像条形磁铁的南北极一样,自旋电子材料可借助‘上’或‘下’的电子自旋将二进制数据记录在材料中。”天津大学微电子学院副院长、博士生导师徐江涛说。

“传统电子器件只是利用电子的电荷流动存储传输信息。自旋电子学器件在信息处理过程中,可只利用自旋作为传输载体,避免电荷的流动,从而大大降低能耗。”董红说。

“自旋电子器件工作时,产生的热量很少。与常见的电子器件相比,无须耗费更多的能源给器件散热,相对来说更省电。”徐江涛说,自旋电子器件未来有望解决现代电子计算机功耗大和散热难这两大难题。

运算速度更快,或取代传统器件

按照摩尔定律设定的节奏,在过去的几十年中,单位面积芯片上的元器件不断“瘦身”,但其尺寸不可能无限制地缩小下去。在现有技术条件下,晶体管最小可做到3纳米线宽。但目前大多数商业级别的应用,都停留在7纳米。

“这是逼近晶体管物理极限的宽度。”董红解释道,因为从物理定律来看,3纳米线宽几乎就是物理极限。

制约摩尔定律发展的核心因素是在物理方面,随着芯片尺寸的不断缩小,芯片产生的热量将会增加,对电路自身会造成危害;其次,由于芯片在生产过程中不可避免地混有杂质,而伴随着尺寸的缩小,杂质的密度就会增大,杂质的聚集将会影响导电性能,目前芯片中杂质含量已接近所能允许的极限。

此外,随着芯片尺寸的缩小,将发生电子漂移现象,晶体管会失去可靠性,可能无法控制电子的进出,从而无法制造出1和0。

董红表示,新闻中英特尔公司研发的新款元件由多铁材料制成,这使得其既具有磁性又具有铁电性。“这种材料的优势在于,磁性和铁电性这两种状态是相互联系或耦合的,改变一种就会影响另一种;通过控制电场状态,就能改变磁场状态。这也让其能有效避免电子漂移现象的出现,同时也提升了运算速度。”董红说。

摩尔定律中提到的“元器件”,主要是指CMOS晶体管,这也是目前主流的晶体管种类。

“MESO的逻辑运算速度比CMOS高5倍,这意味着,集成电路上单位面积晶体管计算能力还具备提升的潜力,摩尔定律还能够延续。”董红说,随着自旋电子技术的进步,用MESO技术制造出的晶体管未来或许能取代目前广泛使用的CMOS晶体管。运行速度更快、功耗更小的“超级芯片”有望为摩尔定律“加血续命”。

“万物互联时代,数据呈几何级增长,处理数据的能力和速度也应‘水涨船高’,因此需要性能更强、耗能更低的芯片。”徐江涛认为,目前在无人驾驶、智慧医疗等新兴领域,计算效率已成为亟待突破的关口。

“现有的半导体制造技术已不足以满足未来发展的需求,因此必须寻找新的替代技术,自旋电子就是‘后备军’之一。”徐江涛说。

尚处起步阶段,应用仍需时日

既环保又高效,自旋电子器件优点多多。如此看来,传统晶体管技术未来必将被这支“后备军”所取代。

然而,事情没有那么简单。

董红表示,截至目前,芯片厂商仍在固守旧路,努力研制接近线宽极值3纳米的晶体管,而鲜有考虑从其他路径进行颠覆性创新。

“其中一个重要的原因是,半导体产业不是一锤子买卖,不存在一个技术能包治百病、解决所有问题。”董红表示,“芯片厂商们更加希望有可持续多年的路线图,如同摩尔定律一样,引导产业持续获利。”

正因如此,英特尔公司在评估了25个不同的技术路线后,判断MESO在长期内具有持续迭代的可能,才最终确定了这种新型方案。

厂商们想要的是低投入、高产出,谁也不愿用真金白银去试错。“半导体芯片是一个需要高投入、规模效应的产业,投资周期长、风险大,大多数人不愿冒险。”董红说。

“目前,自旋电子技术尚处在起步阶段,离产业应用至少还有15年的时间。”董红说,“开发自旋电子器件,仍有几个技术瓶颈亟待突破。比如,在自旋电子材料中,生成和检测极度微小的电子自旋信号就是主要障碍之一。”

徐江涛也认为,由于涉及到器件设计、制备、优化等一系列、全行业的改变,MESO这种新型的构架走出实验室,走向大规模应用还需时日。

“若‘超级芯片’得到应用,将极大地降低计算功耗。但不排除在等待它降临的期间,会出现更优的技术路线,或更有利于芯片产业革新的技术方案。”徐江涛说,“不管采用哪种技术方案,毫无疑问,这将是一场技术革命,对芯片产业和计算机产业来说都将起到极大的推动作用。”

记者 孙玉松

【“四送一服”怎么服丨企业反映问题办理范例汇编(第一卷)——创新项目类(上)】
“四送一服”双千工程实施一年多来,我们不断畅通企业反映问题渠道,扎实推进问题办理,实实在在为企业排忧解难,共办结企业反映问题27000余个,一大批制约企业发展的融资贷款、人才支撑、项目建设、补助补贴、成本控制等问题得到切实解决。90%以上企业对问题办理情况表示满意或非常满意,1000多家企业在省“四送一服”双千工程综合服务平台留言点赞, 企业获得感进一步增强。
创新项目类(上,共6个范例)
送创新项目是“四送一服”双千工程工作重要内容,截至目前,累计帮助企业成功牵线搭桥对接846个科研要素项目。针对企业反映的科技要素需求问题,各地积极征集企业技术需求,及时发布科技成果,开展产学研用专项对接活动,选派省内高等院校、科研院所专家深入企业调研会诊,推进产学研用合作,帮助企业引进创新型项目、建立战略合作联盟、实现成果转移转化。
01
省市科技部门指导重点实验室申报
企业诉求
2018年4月26日,宁国市LM柔性储能材料科技有限公司通过省“四送一服”双千工程综合服务平台反映:请求支持建设“安徽省可穿戴材料与技术重点实验室”。
处理过程
1.5月4日,省“四送一服”办将问题通过省“四送一服”双千工程问题办理平台转请省科技厅、宣城市处理。
2.5月10日,省科技厅反馈:近日省科技厅基奖处与公司联系,了解了该企业创新平台的建设需求,介绍了我省重点实验室建设的具体要求。计划于近期对该企业进行实地调研,了解该企业拟建设重点实验室在定位与潜力、基础与保障等方面的情况,考察省重点实验室建设的可行性和成熟度。企业对此次办理情况表示满意。
3.5月10日,宣城市“四送一服”办反馈:公司为复旦大学PHS团队携多项世界首创技术来皖创新创业设立,从事储能纤维、导电纤维研发生产,PHS本人为军委科技委责任专家。为解决科技成果产业化转换的瓶颈、吸引更多人才参与攻关,请求承建省重点实验室以形成高效的科研平台。5月4日,宁国市科技局就公司提出的请求推荐承担建设省级重点实验室诉求向宁国市政府做了专项报告,宁国市政府在充分了解情况后,立即向宣城市政府出具请求支持该公司建设省重点实验室的请示;宣城市政府同日向省科技厅出具推荐该公司承建省重点实验室的函。5月5日,省科技厅基础处受理该公司申报书,于5月中旬组织专家对该司进行现场评审,以确定该公司是否具备承建省重点实验室的能力。5月7日,市科技局电话回访企业,告知目前该申报程序已完成,等待组织专家评审。企业表示感谢“四送一服”为企业带来的便利,感谢各级部门的支持。
企业反馈
5月10日,省“四送一服”办电话回访企业,企业表示:没想到问题这么快就有了反馈,非常感谢省“四送一服”双千工程综合服务平台,感谢“四送一服”为企业高效对接处理问题,将向更多其他企业家朋友推介省“四送一服”双千工程综合服务平台。

02
专家技术指导高温电除尘器应用问题
企业诉求
省人力资源社会保障厅在常态化开展“四送一服”工作过程中安徽YYHB设备有限公司反映:高温电除尘器在电厂中如何应用,希望和有关专家对接。2018年3月5日,省人力资源社会保障厅将企业的要素需求提交省“四送一服”办。
处理过程
1.2018年3月22日,省“四送一服”办印发《关于做好第一批企业要素需求对接服务工作的通知》(皖四送一服办〔2018〕6号),根据通知安排,由省科技厅负责选派专家精准对接服务企业。
2.4月3日,省科技厅反馈,第一时间安排专人对接,积极组织相关专家与该公司技术人员沟通研究,专家认为该技术难题可以通过物理降温解决,或者增加余热锅炉回收装置,将余热用于发电或其他利用。省科技厅将环保专家咨询意见及时反馈公司。
企业反馈
3月27日,安徽YYHB设备有限公司向省科技厅致信,反映该问题提出的背景是当时美国一家独资玻璃窑炉电除尘器项目正在进行招标,公司收到招标邀请,准备对项目进行投标,但是相关技术问题亟待解决。在省人力资源社会保障厅协调帮助和省科技厅联系的专家指导下,公司工程技术人员认真评估,认为美方要求不科学,项目风险较大,最终作出理性判断,没有参加投标,特此向省科技厅表示感谢!

03
合工大智能院与企业签署产学研合作框架协议
企业诉求
2018年2月,省科技厅常态化开展“四送一服”工作过程中,安徽SL精密制造科技有限公司提出:希望帮助牵线搭桥,与合肥工业大学等高校建立产学研合作关系,深入开展科技研发与成果转化活动,促进企业提质增效。
处理过程
1.2月12日,省科技厅联系合肥工业大学智能制造技术研究院(以下简称“合工大智能院”),将企业需求告知合工大智能院,并沟通确认双方有相互接触的意愿。
2.3月7日,省科技厅组织合工大智能院有关专家,到企业进行座谈对接。企业介绍了主营业务和产品开发情况,并提出面临研发资源短缺等问题;合工大智能院详细介绍了研发重点领域、技术服务能力以及与企业开展产学研对接合作的主要方式等。双方就签署产学研合作框架协议进行了深入交流沟通。
3.3月26日,合工大智能院将拟好的产学研战略合作协议发至企业,请其提出修改意见;4月23日,企业正式反馈合工大智能院,对产学研战略合作协议无意见。
4.5月4日,双方正式签署《产学研战略合作协议》,在智能制造技术服务、产品检测分析服务、产品设计服务、公共计算服务、技术咨询服务等相关专业领域进行深入对接合作。
企业反馈
5月14日,省科技厅电话回访企业,企业表示产学研合作关系已经建立,很满意。

04
安徽工业大学与企业签订产学研合作协议
企业诉求
2018年5月15日,马鞍山市科技局走访服务ZGTY公司过程中公司反映,目前正开发锂电池正极材料系列产品,其中三元锂电池正极材料是研发重点,但由于公司研发起步较晚,希望与安徽工业大学材料学院合作共同解决技术难题。
处理过程
1.5月16日,市科技局主动与安徽工业大学科研处联系,请安徽工业大学材料学院与公司对接。
2.5月25日,市科技局、安徽工业大学材料学院专家主动上门,与公司研发中心科技人员进行了技术交流,对存在问题以及锂电池三元正极材料未来的技术发展方向进行深入探讨,双方签订了产学研合作协议,并在人才培养方面达成共识,安徽工业大学将为公司在锂电池材料方面培养2名高层次人才。
企业反馈
ZGTY公司对政府部门积极牵线搭桥,促成产学研用合作,解决企业技术难题表示感谢。

05
合肥学院与企业建立产学研用合作关系
企业诉求
2018年7月,ZHSX太阳能光电玻璃有限公司反映,废物利用造环保砖过程中,出现砖体强度不达标的情况,需要专业技术人员指导。
处理过程
1.省“四送一服”办通过综合服务平台转请蚌埠市、省科技厅协同处理。
2.7月25日,蚌埠市龙子湖区经信委(科技局)与企业联系,由于玻璃粉造环保砖加工流程复杂,技术参数要求较高,受环境、温度等影响较大,相关技术仍不成熟,目前区经信委正在帮助寻找产学研合作单位,提供技术支撑。
3.7月26日,省科技厅社发处与企业联系,了解到其在废弃玻璃利用方面需要技术专家指导。社发处与合肥学院联系沟通,合肥学院与企业对接,双方就其生产过程产生的废弃玻璃及利用其生产玻璃砖的问题进行了洽谈,同意校企合作进行技术攻关,拟签订合作协议解决技术难题。
企业反馈
8月11日,省“四送一服”办电话回访企业,企业表示已对接合肥学院,非常感谢!

06
跨地区牵线多企业对接合作
企业诉求
2018年5月8日,安徽HDGD技术研究所通过省“四送一服”双千工程综合服务平台反映,我们承担科技部重大仪器专项,研制了液晶面板行业相关的自动光学检测设备,但是目前市场化处于起步阶段,缺少合作伙伴,很难接触到用户端,恳请政府帮助联系合肥的京东方、三利谱、欣奕华等相关企业。
处理过程
1.省“四送一服”办将问题通过省“四送一服”双千工程综合服务平台转请合肥市处理。
2.5月28日,合肥市“四送一服”办反馈,市发展改革委已与三家企业属地新站高新区联系,新站经与三家企业沟通,三家企业同意碰面洽谈。市发展改革委将三家企业联系人告知HDGD,牵线HDGD与三家企业开展对接。市“四送一服”办经电话联系企业,当事人表示满意。
企业反馈
5月29日,省“四送一服”办电话回访企业,企业表示已和京东方、三利谱、欣奕华等企业取得联系,非常感谢政府部门牵线搭桥。

若您的企业发展遇到难题,或需要查询涉企优惠政策,欢迎登录省“四送一服”双千工程综合服务平台留言反映,我们将依法依规做好服务工作,并欢迎您登录客户端对办理情况做出评价。左二维码是手机客户端,右二维码是微信公众号。

突然丧。

这段剧情改毛改改毛改改毛改啊啊啊啊啊啊。
要是文案在我旁边,我想摁着他的头把这改回来。
我就明明白白地说了,相比现在这位满不在乎说出“我的时间可以多浪费一点”的,我更喜欢黑盒时候哪位,懵懵懂懂,搞不清自己感情,一边觉得自己的时间无比重要,一边又排着队去买了蛋糕,边排队边盘算这到底重不重要,还说“因为这是魏宇辰放下科研工作排队买回来的”要店长必须吃掉它的魏宇辰。
对我通常不会往外搬黑盒内容,但这次我就是忍不住要说。
他是直白,但没到这种在店长面前自己的工作就不值一提的程度上。也正因为直白,所以他才会把自己的不解和对时间被浪费的抱怨全都对店长说出来。
我也不喜欢他是个只顾着紧张一个第一次见面的女性甚至撞到望远镜的人。超大声bb。就算我再喜欢他,我看到那一幕也内心毫无波澜甚至只想心疼望远镜。
我一个生物本科生,做个大物基础课的光学实验,我看见镜头上有点指纹(鬼知道谁按的)都心疼得不行,再怎么马虎都不敢太大力碰那堆东西,你一个研究员撞成那样了居然一点反应没有???
啊。不行。
我真的好想把文案炖了哦,真的好想好想好想好想。


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