天天热文：北大罗昭初：实现纳米磁体存算一体化器件，为解决冯·诺依曼瓶颈问题提供新路线
2023-04-27 14:00:43
来源：
DeepTech深科技
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存算一体化计算架构被认为是解决该问题的关键性技术之一。其中，基于自旋的电子学器件是一种非常有前景的存算一体化器件，它不仅具有本征的非易失磁存储性质，还具有小尺寸、低功耗、高速等优点。目前，多家半导体头部企业在磁电子芯片纷纷布局，包括磁随机存储器、低功耗磁逻辑芯片等。 北京大学助理教授的主要研究方向为微纳磁电子学，磁存储、磁逻辑器件，磁电输运效应等。主要面向新一代信息器件，例如高性能存储器、运算器、传感器等，推动信息产业的更新换代。 他本科和博士毕业于清华大学材料学院，师从章晓中教授，并获得清华大学学术新秀和优秀博士论文奖。随后他在瑞士的保罗·谢尔研究所和苏黎世联邦理工学院进行了两段博士后研究工作，合作导师分别为劳拉·海德曼（Laura Heyderman）教授和彼得罗·冈巴德拉（Pietro Gambardella）教授。 他提出了多种与硅工艺兼容的磁逻辑器件，以及提出电流驱动的磁畴逻辑器件。凭借通过结合纳米磁体中本征非易失存储性质和磁化耦合性质，实现存算一体化器件，为解决传统计算中存在的冯·诺依曼瓶颈问题提供新的路线，成为 2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者之一。 图丨2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者罗昭初 存算一体，意味着将存储和计算两种功能的“合二为一”，如何将二者有效地结合呢？ 一种常用的路线是，在计算器件（晶体管）加上储存的功能，例如固态硬盘；罗昭初从另一种路线出发，让具有存储性能的磁性材料也可以做运算，从而实现存算一体化的器件。 磁（自旋）电子学是物理、材料和微电子的多学科交叉的研究领域，既包含了大量新奇的物理效应，又能产生了许多非常有前景的新磁电子学器件。“研究纳米尺寸、低能耗、高速度且兼具存储-计算功能的新型磁电子器件对推动新一轮信息产业革命具有重要意义。”说。 纳米磁体本征具有非易失存储性质，为实现计算功能，需要纳米磁体之间存在合适的耦合作用。传统的磁偶极子耦合作用强度受限于磁体尺寸，极大地限制了由纳米尺寸磁体构筑的器件性能，目前尚无法实现集成化的纳米磁电子逻辑器件的制造。 另外，如何实现与主流硅半导体工艺相兼容的自旋电子学器件，是磁电子学实用化的关键问题之一。在纳米尺度下，磁性不仅会展现出很多有趣的物理性质，其在包括存储在内的信息领域也有很多重要的应用。 2019 年，利用界面非对称交换相互作用（DM 相互作用）实现了一种全新的、耦合强度更高且更具操控性的手性耦合纳米磁体系统。并且，利用这种手性耦合实现了水平交换偏置、零磁场自旋轨道力矩翻转垂直磁化、人工自旋冰和人工斯格明子等新奇物理现象[1]。 通过生长出具有强 DM 相互作用的纳米级厚度的铂/钴/氧化铝磁性多层膜，并通过微纳加工的技术手段，对薄膜的磁各向异性进行局域地调控，他制备出水平磁化和垂直磁化相间的新型纳米磁体结构。利用瑞士同步辐射光源的光电子显微镜技术，直接观测到了纳米磁体中的手性磁耦合。 在相同磁体体积下，这种手性耦合的强度比传统的磁偶极子耦合高出 2 个量级，极大地扩展了耦合纳米磁体的应用范围并提高了其器件应用的可靠性。 表示：“纳米磁体是一种非常理想的存储二进制数据的物理介质，它的磁化南北极相当于数字信息的‘1’与‘0’。” 通过研究手性耦合磁体在自旋轨道力矩下的动力学行为，他设计了电流驱动的纳米磁畴逻辑运算，并在实验上实现了磁畴逆变器、NAND 逻辑门以及多个逻辑门相互级联的复杂逻辑电路[2]。此外，在早期研究中，他还研究了硅材料在磁场下的输运行为，利用其磁电响应和非线性输运性质，开发了一系列磁逻辑存储一体化器件[3-5]。 2020 年，在垂直磁化磁纳米线上，利用微纳加工的技术手段制备宽度为 50 nm 的水平磁化区域，由于手性耦合，水平磁化会与垂直磁化进行耦合。 他基于 majority gate 的原理设计并实现了可编程的 NAND/NOR 逻辑运算。通过磁力显微镜、磁光 Kerr 显微镜和磁电输运测量等手段，对 NAND 逻辑门的可靠性进行了细致的表征，达到 95% 以上。 “后来，我通过改变器件的对称性，引入磁畴的非对异传输，实现了电流驱动的磁畴二极管。该发现使磁畴电路得以在交流信号下工作，扩展了磁畴器件的应用范围。”说。此外，他还合作研究了水平磁化/垂直磁化界面处的磁畴形核概率，实现了自旋力矩驱动的磁畴注入。 他利用硅特殊的磁电响应和非线性输运性质，通过设计新的器件物理和优化材料，提出三类硅基逻辑存储一体化器件：硅基二极管增强磁逻辑器件、垂直磁化薄膜基二极管增强磁逻辑器件、与磁写入结合的磁逻辑器件。 表示：“从理论上来说，我们现在拥有了类似乐高积木的各种基础逻辑门，可以搭出各种各样的逻辑芯片。” 截至目前，基于磁电阻、磁逻辑器件的研究，共申请了 6 项国家专利。不止于学术的创新研究和探索，其团队也重视与产业的合作和发展，致力于建立新奇的磁学物理效应与下一代的信息功能器件之间的桥梁。 在看来，现在正是新型信息器件发展的好时期。二十多年前，人们还对“摩尔定律”深信不疑，但当晶体管小到一定极限便难以突破。“所以科学家开始慢慢探索更新的途径，来提高计算性能的问题，例如二维材料晶体管，以及从磁学角度思考新一代信息器件。”说。 传统计算机以逻辑运算为基础，而未来计算机的运算模式将更加多元化，包括神经形态运算、量子计算、概率计算等。磁硬盘的性能已达到它的极限，其可靠性、速度成为制约其发展的瓶颈。随后，在个人消费级存储市场中，逐渐新兴起固态硬盘、磁随机存储器、磁赛道存储器等将进一步提升数据存储性能。 指出，在磁学领域，磁性随机存储器的发展速度很快。它是非机械器件、并用电的方式进行读写，其读写次数显著多于固态硬盘的可读写次数，是未来可能能够替代内存的器件之一。 他表示，随着近年来磁性随机存储器在军用、低功耗设备等场景陆续发展出商业化产品，其在更大规模的应用应该很快。他认为磁自旋电学器件、磁逻辑器件等有望在近期像雨后春笋般地实现产业化。 图丨罗昭初在全球青年科技领袖峰会现场（来源：DeepTech） “现在物理领域日新月异，例如量子效应、拓扑效应的发现等，我觉得非常可能从中挖掘和借鉴很多想法，来设计性能更佳的器件。”说。下一步，他与团队将扩展纳米磁体器件在包括神经形态运算、概率运算等新型运算器件中的应用。 1.Z. Luo, et al. Science363,6434,1435-1439(2019). https://www.science.org/doi/10.1126/science.aau7913 2.Z. Luo, et al.Current-driven magnetic domain-wall logic.Nature579, 214–218 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2061-y 3.Z. Luo, et al.Advanced Functional Materials25, 158 (2015). 4.Z. Luo, et al.Advanced Materials28, 2760 (2016). 5.Z. Luo, et al.Advanced Materials29, 1605027 (2017). #In Science We Trust#
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算计着，算计着，美国要把自己装进去了……