根據(jù)加州大學(xué)伯克利分校電力工程師的研究，未來計算機(jī)可能使用一種由納米磁鐵制作的處理器，僅消耗物理定律所限的最低能量，這就是磁微處理器計算機(jī)。目前的硅基微處理器芯片依賴于電流，也就是運動電子，會產(chǎn)生大量的廢熱。如果用納米磁鐵，就像微型的冰箱磁鐵那樣，用來進(jìn)行存儲、邏輯運算與開關(guān)操作，理論上不需要電子。

終極能效計算機(jī)

“目前的計算機(jī)運行要靠電流，通過電子在電路上的運動，完成各種信息處理功能。”加州大學(xué)伯克利分校電力工程與計算機(jī)科學(xué)系研究生布賴恩·拉姆森解釋說，“但一種靠磁力工作的計算機(jī)不需要運動電子，如果用磁鐵來存儲數(shù)據(jù)、處理信息，只要把磁鐵做得足夠小，并把它們整裝在一起，就會產(chǎn)生相互作用，支持運算、存儲以及控制等所有計算機(jī)的功能。”

在室溫下，這種芯片每次操作僅耗用18毫電子伏特的能量，這是熱力學(xué)第二定律所允許的最小量，稱為蘭道爾極限，比目前計算機(jī)的每次操作耗能要低100萬倍。

“原則上，我認(rèn)為人們能造出按蘭道爾極限運行的真實的電路。”加州大學(xué)伯克利分校電力工程與計算機(jī)科學(xué)教授、能效電子科學(xué)中心共同主管杰弗里-博格說，“即使這種電路的工作能效比蘭道爾極限高一個數(shù)量級，也將帶來巨大的節(jié)能效果，這將是徹底的革命。”

能效電子科學(xué)中心去年從美國國家科學(xué)基金會獲得了2500萬美元撥款，其中一個目標(biāo)就是建造在蘭道爾極限能量下運行的計算機(jī)。

向蘭道爾極限能量進(jìn)軍

50年前，羅爾夫-蘭道爾利用當(dāng)時新型的信息論計算了一次邏輯運算所需要的最低能量，比如一次“and（和）”或“or（或）”的運算，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，會消耗一個固定值（kTln2）的熱量。比如在一個標(biāo)準(zhǔn)邏輯門中，有2個輸入和1個輸出，當(dāng)兩個輸入值都為正時，一個and運算產(chǎn)生一個輸出值；而兩個輸入值中只要有一個為正，一個or運算就可產(chǎn)生一個輸出值。該規(guī)則是一種不可逆過程，一次邏輯運算或擦去一個比特的信息，所消耗的能量無法恢復(fù)。也就是說，任何封閉系統(tǒng)的熵不可能減少。

在今天的晶體管和微處理器中，這一極限遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于以熱量形式散失的能量，熱能損耗主要來自電阻。

2006年時，法國巴黎圣母大學(xué)的研究人員第一次用磁性納米粒子成功地演示了一次邏輯操作，他們用16個耦合的納米磁鐵構(gòu)造了3個輸入主體的邏輯門。拉姆森對他們的磁性邏輯運算進(jìn)行了熱量分析，發(fā)現(xiàn)這種電路也能在蘭道爾極限能量下運行。

目前已有許多科研團(tuán)隊和科學(xué)家，包括博格和拉姆森研究小組在內(nèi)，致力于開發(fā)不依賴電子運動也能工作的計算機(jī)，向蘭道爾極限進(jìn)軍。加州大學(xué)伯克利分校研究小組用一種簡單的磁性邏輯電路和磁性存儲設(shè)備對磁微處理的能效極限進(jìn)行了檢驗。

他們用一種寬約100納米、長200納米的磁鐵制作了磁性存儲和邏輯設(shè)備。納米磁鐵也像其他磁鐵一樣有著南北兩極，兩極向上或向下的方向可用于表示計算機(jī)存儲中的二進(jìn)制代碼0或1。此外，當(dāng)多個納米磁鐵結(jié)合在一起時，它們的北極和南極通過兩極間的力相互作用，顯出晶體管的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的邏輯運算。

經(jīng)過計算和計算機(jī)模擬證明，雖然尚未達(dá)到蘭道爾極限，但一次簡單的存儲操作，如擦掉一個磁比特（也稱恢復(fù)操作），所需的能耗非常小。由于蘭道爾極限與溫度成比例，將電路致冷到低溫狀態(tài)效率會更高。

“磁鐵本身也可作為一種存儲器，但真正的挑戰(zhàn)是讓電路和晶體管運行起來。”拉姆森說。

挑戰(zhàn)極限任重道遠(yuǎn)

向蘭道爾終極能效極限進(jìn)軍無疑還要克服很多困難。比如用于產(chǎn)生磁場、擦除或翻轉(zhuǎn)納米磁鐵的極性的電流也會消耗許多能量，而理想狀態(tài)下，新材料應(yīng)當(dāng)不再需要電流，除非是將一個芯片上的信息拷貝到另一個上面。(責(zé)任編輯：admin)