MESO橫空出世
近日，英特爾公司和加州大學伯克利分校的研究者在 Nature 上發表了他們研究的新型半導體器件，適用於邏輯閘電路和儲存電路。這是一種具有創新意義的半導體器件，甚至有人大膽斷言它將有望取代 CMOS 成為應用最廣泛的半導體器件。
這篇名為“Scalable energy-efficient magnetoelectric spin–orbit logic”的文章於 2018 年 12 月 3 日被髮表在學術期刊《Nature》上。文章中，研究者向大家介紹了一種將兩種新材料——多鐵性材料（multiferroics）和拓撲材料（topological materials）——應用於製作新型邏輯器件和儲存器件的方法。新型的器件有個響亮的名字：MESO（Magneto-Electric Spin-Orbit），其中的兩個片語分別代表多鐵性材料和拓撲材料的獨特性質。MESO 將能用於製作微處理器，正如文章題目所說，它帶來的好處有兩方面：“高整合（Scalable）”以及“高能效（Energy-efficient）”。相比於傳統 CMOS 整合的微處理器，採用 MESO 的微處理器能效可以得到顯著增強，大約將提升 10 倍至 100 倍；另一方面，器件的尺寸是 CMOS 器件的五分之一，這也意味著 MESO 一旦能成功應用與微處理器的製造，其尺寸也將大大縮小，而這樣的新型器件將是延續摩爾定律的不二之選。
文章的作者在總結團隊的作品時說道：“我們在尋找的是具有革命性而非進化性的超越 CMOS（Beyond CMOS）的解決方案。MESO 是基於低電壓連線和低電壓電磁效應設計的器件，它將量子材料的創新帶到了計算科學中。”
CMOS 為何物？為什麼要以 CMOS 為目標趕超呢？因為我們現在使用的大多數電子產品都和 CMOS 有關，例如單反相機中的 CMOS 影象感測器、電腦中的 CPU。而摩爾定律也告訴我們，“半導體晶片中可容納的電晶體數目，約 18 個月增加一倍”，在邏輯電路中，電晶體數目和 CMOS 或者說 CMOS 技術息息相關。
曾經浙大電氣的學子寫過一封三行情書：
一開始，我們是普通的 NMOS 和 PMOS
我擅自用喜歡將你沉溺在 N 阱中
慢慢地，我們從 MOS 變成緊緊相連的 CMOS
圖 1 CMOS 反相器結構
這其中的 CMOS 是“互補金氧半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor）”的簡稱，如情書中寫到那樣，最簡單的 CMOS 由一個 NMOS 電晶體和一個 PMOS 電晶體組成。由於材料的不同，PMOS 需要“沉溺”在 N 型矽材料——也就是“N 阱（n-well）”中。這樣二者才能緊緊相連，成為一個反相器（inverter），是邏輯電路和儲存電路的基礎單元，由此我們可以生產我們日常生活中要用到的電子裝置，例如一臺家用計算機。可以說，矽基 CMOS 是自 1980 年來邏輯電路出現以來最為基礎也最為關鍵的發明了。
然而，對於邏輯電路來說，能源是很大的問題。拿邏輯電路中最基本的閘電路來說，開關一次就會有一部分能量消耗，即使單次的能源消耗不是很大，開關次數增加之後，這個能耗就變得相當可觀了，例如，我們如今最先進的超級計算機每秒能執行 33 億 9000 萬億次的浮點運算，任何數字乘以這個巨大的計算評率也稱得上是天文數字了。特別地，在當今的世界是一個計算機和資料的時代，資料爆棚帶來的不僅僅是“資料改變生活”的格局，也帶來了“更高效的計算機”的需求。簡單而言，就是我們現在都需要高速運算的計算機了，例如時下火熱的“人工智慧”、無人駕駛汽車和無人機等，它們需求的計算機運算速率是真的“與時俱進”，要求越來越快。那麼只要一次開關時間消耗的能量減小哪怕一點點，都是很可觀的提升。
英特爾公司和加州大學伯克利分校的研究者就是從這裡出發，尋找能降低能耗的半導體材料和器件。他們瞄準了 2001 年由加州大學伯克利分校Ramamoorthy·Ramesh 教授開發的 MESO 器件。Ramesh 教授的研究方向為材料科學及工程物理研究，他也是該文章的主要作者之一。
圖 2 鐵酸鉍的磁性和鐵電性：鐵酸鉍是具有單晶結構的多鐵性材料。鉍原子（藍色）和氧原子（黃色）一同構成了晶格結構，在接近其中心處有一個鐵原子（灰色）。偏離中心的鐵原子會和氧原子一同形成偶極矩（表示為綠色箭頭 P）。這是鐵酸鉍的鐵電性，與原子的磁性（表示為紅色箭頭 M）耦合，即改變電場方向則也會改變磁性。這樣的性質能夠用來編碼成為“0”和“1”，適用於資訊的儲存和邏輯處理。
談起 MESO 器件的主要技術，Ramesh 教授表示這是“兩種材料結合成的一種器件”，兩種材料自然指的是多鐵性材料和拓撲材料，這兩種材料有著十分獨特的性質：多鐵性材料本身具有磁性和鐵電性，即具有永久磁場方向以及偶極矩的方向，並且磁場和偶極矩方向是有緊密聯絡的，例如文章中採用的鐵酸鉍（BiFeO3）。簡單地說，我們可以通過改變施加在多鐵性材料的電場方向來改變其內部的磁場方向，並通過自旋軌道耦合效應（spin orbit coupling）進一步改變材料中電子自旋的方向。另一方面，文章中採用的拓撲材料是有關電子自旋方向的，會根據電子的自旋選擇性通過具有特定自旋方向的電子。那麼 MESO 器件的結構就比較直觀了，是一個多層的器件結構，多鐵性材料被放在了一端，能使我們通過改變電壓改變材料中電子的自旋方向；拓撲材料在器件的中間，充當電子的傳輸通道，這樣的通道只允許特定自旋方向的電子通過。
圖 3 MESO 器件結構
利用這樣的特性，MESO 能將 CMOS 邏輯電路和儲存電路中的工作電壓由 3 伏降低至 500 毫伏，Ramesh 教授甚至還大膽預測 MESO 的工作電壓最小能到達 100 毫伏。我們都知道電路中元器件的功率是兩端電壓乘以通過的電流，更低的電壓就意味著更小的功耗，而 MESO 的功耗將是 CMOS 器件的十分之一甚至三十分之一。
而更低的電壓也為低電壓互連技術（Low-voltage charge interconnects）的提供支援。在縮小晶片尺寸的道路上，並不只有縮小器件尺寸這一條路，縮小器件之間互連的尺寸也能提供相當可觀的整合效果。互連其實就是積體電路中各器件之間的導電連線，CMOS 器件一直無法突破互連 20nm 的大關。而利用 MESO 器件，能夠使得邏輯電路的互連下降至 10nm 以下，而這也是使用 MESO 器件能夠使得晶片尺寸縮小 5 倍的技術核心之一。
談及 MESO 的應用，Ramesh 教授表示：“在機器學習、人工智慧以及物聯網的飛速發展背景下，未來的居家、汽車和製造技術都將日新月異。”這些技術都將依賴於新一代的計算機技術，更高效更節能的計算機的需求已經迫在眉睫，MESO 的出現正好符合時代背景。
“beyond Moore’s Law”已經講了太久了，傳說中能取代矽或者打破材料物理極限的新器件結構層出不窮，不管是 MESO 還是之前吵得火熱的二維材料，如今矽基的 CMOS 仍然是市場的主流。矽基材料在工藝製造以及材料來源方面的優勢太大了，其他的材料和器件短時間還無法完全取代它的霸主地位，畢竟實驗室的產品終究是實驗室的產品，工藝製造以及商業應用又是另外一個故事了。在應用前，實驗室的產物始終是“Fancy”的，如果不能應用那麼就成為了歷史，不過一旦能廣泛應用也就創造了歷史。
參考文獻：
[1] Manipatruni S , Nikonov D E , Lin C C , et al. Voltage Control of Uni-directional Anisotropy in Ferromagnet-Multiferroic System[J]. 2018.
[2] Manipatruni S, Nikonov Dmitri E, Lin C C , et al. Scalable energy-efficient magnetoelectric spin–orbit logic[J].2018