计算机耗能大？磁性芯片来帮忙

图示磁性计算机内3个纳米磁位的显微图像。每个磁位都是一个仅90纳米长的微型条形磁铁。

材料牛注：你一定想让自己的计算机运行的更快，殊不知，计算机运行速度越快，会导致计算机耗能越大。在这个倡导节能减排的时代里，如何降低能耗成为研究的重中之重。而在降低计算机耗能这个问题上，加州大学伯克利分校的研究者们发现磁性芯片在该节能领域上脱颖而出。

加州大学伯克利分校的研究者们在研究节能型计算机上取得巨大成就，首次提出在基于热力学定律上，磁性芯片能依靠最低的基本能耗来运行计算机。

这项研究结果发表在2016年3月11日的Science Advances上，提到磁性芯片可显著降低能耗，耗能几乎为现代计算机中晶体管运行所耗能的百万分之一。

该研究对那些需要强大的处理器，而又仅仅依靠微小、轻便的电池来运行一天或以上的移动设备而言是至关重要的。在大型的工业模式下，随着计算机处理逐渐转入云盘，巨大云端数据处理对电力的需求也越来越多，因而耗电量在整个国家，乃至世界的输电网络的份额也越来越大。

论文的第一作者Jeffrey Bokor，是加州大学伯克利分校电气工程及计算机科学院的教授、伯克利国家实验室的研究员。他提到：“在计算机设计及当今的电子工业领域，最大的挑战是如何降低它们的能耗。因此我们想知道我们究竟能将计算机的耗电量降低至多少。”

数十年以来，计算机设计仅强调在芯片上装上数量众多，微小而运行速度快的晶体管，而最近降低能耗的关注点开始逐渐转至芯片制造上。

同时也是国家科学基金支持的设立在加州大学伯克利分校的科学和技术中心、节能电子科学中心的副院长Bokor表示：“晶体管运行速度越快，能量需求也越大，因而芯片温度会很高，更有甚着，会致使其熔化。”

传统晶体管一般是依靠电子在0和1之间转换而进行工作。大概是由于电阻存在的缘故，晶体管一般需要耗费相当量的能量以确保信号在两个状态下自由切换的同时，实现准确、可辨别，而这也将导致额外的热量产生致使芯片发热。因此研究者们一直试图找到传统晶体管的替代者。

磁性计算机

磁性计算机将作为一个最有前景的候选者出现，因为磁位可依靠方向来辨别，并且仅仅耗费能实现磁体左右指向切换的能量。

Bokor：“有两个等能量的位点，因此我们不需要耗费能量来创建一个高能量或低能量状态。”

Bokor和本校的分子铸造实验室的博士后研究生Jeongmin Hong、研究生Brian Lambson及Scott Dhuey共同合作这个项目。

他们在实验上检测并证实了兰道尔极限，这个以IBM研究实验室的Rolf Landauer命名的量，Landauer在1961年发现任何计算机，每个信号位运行都必须耗费一个必须的极小量的能量。

Landauer的发现都基于热力学第二定律，即任何物理系统的状态都是从高浓度转向低浓度，有序变得无序。无序度称为熵，并且表现为余热。

Landauer建立了一个公式来计算电脑运行所需要耗费的最低能量。计算结果取决于计算机的温度；室温下，极点大约3 zJ（3 zeptojoules，1 zJ=10-21J），或为一个原子辐射一个光子的能量的百分之一。

该研究团队利用新技术来测量改变一个纳米磁位所产生的微量能耗。研究者们将一个激光探针紧随着磁体的指向，施加外磁场使磁体旋转从“上”至“下”，反之亦然。

他们提出磁性芯片仅耗费千分之15电子伏的能量，相当于3 zJ，即室温下转换一个磁位的能耗，有效的证实了兰道尔极限。

这是首次在实践上，表明存储位在一定条件下可达到兰道尔极限。虽然Bokor和他的团队早在2011年就已发表论文称这在理论上可实现，而到现在也没有被证实。

然而这篇论文只是一个定律的证明，将该芯片付诸于实际生产还需要很长的一段时间。但论文的作者也指出“这些研究结果的意义在于指出了如今的计算机离运行的最低能量限值还差很多，表明未来实现显著降低能耗也是有可能的。”

这项研究结果发表在2016年3月11日的Science Advances上。

原文参考地址：Magnetic Chips to Dramatically Increase Computing's Energy Efficiency?

本文由刘萍提供素材，由丁菲菲翻译。