揭秘让电脑更快的新方法!

[2015-07-17] 作者:世界未解之迷网 阅读量: 分享到_微信朋友圈:

  1943年12月的一个雾天,世界上首台可编程的数字电子计算机在伦敦西郊诞生了。二战期间,它为盟军快速破译纳粹的密码电报,立下了汗马功劳。在这台名为“巨人”的计算机上,指令以打孔的形式“写”在纸带上,它每小时要“吃”进去数英里的纸带。

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  自那以后,计算机已经走过了70多个的春秋。尽管今天普通的手机只有“巨人”体积的10万分之一,速度快了近100万倍,但其工作原理一直没变——通过操控电荷(主要是电子)来实现运算。唯一的区别是,元件越做越小了。

  但是,当元件再小下去,就遇到了瓶颈。事实上,当晶体管做到几个纳米量级时,我们已经控制不了电子。雪上加霜的是,电荷的移动必然要产生热量,而在芯片那么一个密集着数亿晶体管的“弹丸之地”上,散热成了一个大难题。这些问题阻碍了电脑的进一步发展。

  事情到了这一步,就需要我们反思了:难道电脑的一切操作非得依赖操控电荷来实现吗?有没有其他替代的办法?

  这样,电子的另一种特性——与磁性有关的自旋,就被许多人寄予了厚望。如果电脑的工作原理,由过去的操控电荷改换到操控自旋,那将带来一场巨大的革命。

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  粒子的基本属性——自旋

  自旋是包括电子在内的基本粒子拥有的一种量子属性。电子的自旋经常被描述为一个带电小球绕着自己的轴在转。尽管这幅图像很直观,但带有很大的误导性。宏观的一个球可以在任意方向上以任意速度自转,但电子的自旋被严格限定只有两种朝向,通常称作“上”和“下”;而且,其自旋角动量是一个固定值。

  事实上,如果电子真是我们想像中的一个自转小球的话,那根据计算,它表面的转动速度比光速还快好几倍呢,而这违反了爱因斯坦的相对论。

  关于自旋,我们知道它与磁密切相关。在一块永磁体中,无数电子的自旋被调整到朝同一个方向,于是就产生了磁场,否则它们的效果两两抵消,就显不出磁性。如果施加一个足够强的反向磁场,这些电子的自旋方向就会发生翻转,使得磁体的南北极互换。

  这个性质在电脑上很久以来就已经被我们利用。电脑硬盘无非就是由无数微小的磁体组成的一个会转动的盘子。每个小磁体被称作一个“磁位”。如果用二进制的“1”来代表磁位N极朝上的状态,那么“0”就代表N极朝下的状态。以二进制编码的数据就储存在一个个磁位上。当硬盘转动起来,磁位在硬盘的读出头下一一穿过,就可以读取数据。

  还需要进一步说明的是,电脑芯片上的晶体管只受脉冲电流的控制,那么硬盘数据又是如何转变成一个个脉冲电流的呢?其实是这样的:读出头电阻的大小取决于硬盘上每个磁位磁场的朝向。譬如说,读出头当读到“1”时,磁位N极朝上,这时电阻大;当读到“0”时,磁位S极朝上,这时电阻小。在电压固定的情况下,电阻的忽高忽低,造成电流的忽低忽高,于是形成一个个脉冲电流。

  基于巨磁阻效应的自旋开关

  在数字计算机的历史上,制造更大容量硬盘的办法很简单:在尽可能小的空间里塞下尽可能多的磁位。但10多年前,这种办法已经走到了尽头。这些磁位产生的磁场已经如此微小,以至于它们在读出头上引起的电阻变化几乎无法被探测到。

  1988年,德法两国的科学家独立发现了一个与自旋有关的新现象:在一块由磁性材料组成的导体中,当一束自旋方向与该材料磁化方向相同的电子流过时,导体的电阻较小。而当一束自旋方向与该材料磁化方向相反的电子流过时,电流急剧减小,说明电子大部分被挡住了,表现出来的是电阻急剧增加。

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  这一切说明,磁性材料的电阻大小跟流过的电子的自旋密切相关。这一现象叫“巨磁阻效应”。2007年,此项发现获得诺贝尔物理学奖。

  根据巨磁阻效应,人们设计了一种新型的自旋开关。如下图所示:

  让一束普通的电流穿过一块“三明治”结构的材料。材料两侧是磁性薄膜层,中间是夹层(间隙或者非磁性材料)。由于在普通电流中,电子自旋朝向是随机的,既有朝上,也有朝下的,当电流穿过第一层磁性薄膜时,那些自旋朝向与薄膜磁化方向不一致的电子(此处是自旋朝下的电子)都被挡住了,所以能穿透第一磁层的是那些自旋朝上的电子。

  这些电子继续向前运动,穿过夹层来到第二磁层前。如果第二磁层的磁化方向朝上,那么电子悉数通过,整个电路处于“开”的状态(上图)。如果对第二磁层施加一个微小的外界磁场,让其磁化方向转个个儿,变成朝下,那么绝大部分电子将被阻挡住。此时电路改为“闭”了(下图)。这相当于一个开关。

  用这样的自旋开关制成的硬盘读出头,就能感应硬盘磁位上的微弱磁场,磁位的磁场扮演着使第二磁层翻转还是不翻转的外界磁场角色,并将其转化为脉冲电流。由于自旋开关的出现,允许硬盘磁位做得更小。磁位可以做得更小,这意味着在硬盘的单位面积上可以塞下更多的“0”和“1”,所以硬盘容量自此从MB急剧提升到了GB量级。

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  给芯片“瘦身”

  但为什么就此止步呢?如果自旋对于读取硬盘数据是个好东西,那么它对于电脑的核心部件——微处理器(即芯片),或许也会有所帮助。

  今天的微处理器是差不多由10亿个晶体管组成的,这些晶体管利用电流来实现开和关。但事实上,我们也可以通过电子自旋,而不是电流,来操控晶体管。不像电流,维持自旋不需要消耗能量,仅当改变时才消耗能量。这意味着,这种工作方式耗能更省,制造的热量也更少。由于这方面涉及的技术过于复杂,具体细节这里就不介绍了。

  2007年,美国特拉华大学的一位科学家研制出世界上首个自旋晶体管。同年,美国罗切斯特大学的科学家又发明了首个用自旋晶体管组成的一个逻辑电路。这个电路除了是利用电子自旋来操控的,还有一个不同凡响之处:同一个电路可以执行不同的逻辑运算。这是一个了不起的优点。因为过去一个传统的逻辑电路,只能完成一种特定的逻辑运算,所以为了完成不同的逻辑运算,就需要设计不同的电路。如果同一电路可以完成多种运算,那意味着芯片上的电路数量可以大大减少,芯片就可以进一步“瘦身”了。

  总之,一场自旋的革命风暴正在席卷整个微电子学领域,大概只有半个多世纪前的晶体管革命可与之媲美。未来,人们甚至希望用由自旋控制的电路来模拟人类的大脑。

    
    

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