美研究挑戰半導體極限 磁聲波技術讓電腦運算效率提升千倍

面對人工智慧與邊緣運算對運算能力日益增長的需求，以及傳統電晶體預計在2037年達到其能源效率極限的挑戰，美國研究人員正開發一種創新的混合磁聲波技術，有望徹底改變未來電腦的運作方式。

由密西根大學工程學院（University of Michigan Engineering）主導、並獲得國防高等研究計劃署（DARPA）資助的這項研究，近期發表了一種名為「M3BOLT」的新型裝置。該裝置由「磁電多鐵材料」組成，結合了鐵電（ferroelectric）材料和鐵磁（ferromagnetic）材料，有望使電腦的運算速度與能源效率提升100到1,000倍，並同時具備記憶體功能。

傳統電晶體在尺寸微縮至數奈米時，會因「量子穿隧效應」（quantum tunneling，指電子能穿透原本無法穿透的能量障礙）導致電子在關閉時洩漏，造成能源浪費。M3BOLT 的核心突破在於，它不依賴電子移動來處理資訊，而是採用磁波和聲波。研究團隊透過結合鈦酸鉛鈮酸鎂（PMN-PT）與鐵鎵合金薄膜的層狀結構，當 PMN-PT 的電場改變時，會導致鐵鎵合金中的磁極產生波狀擺動，形成一種稱為「磁振子」（magnon）的磁波。

這種磁波在鐵鎵薄膜中移動時電阻極小，能量損耗遠低於傳統材料。此外，磁波能以「兆赫茲」（terahertz，遠高於現今處理器的十億赫茲 gigahertz）頻率移動，這意味著電腦處理數據的速度可比現今快數百倍。研究團隊將磁波的有或無，做為電腦運算中的「1」和「0」兩種狀態。當裝置關閉時，鐵鎵薄膜中的磁極方向仍能保持，因此同一材料也能作為運算記憶體。

研究人員Roozbeh Tabrizian（密西根大學電子與電腦工程副教授）表示，電晶體是現代最具影響力的裝置，但主要進步往往始於質疑那些幾乎被視為理所當然的假設。約翰·赫倫（John Heron，密西根大學材料科學與工程副教授）則指出，利用這種技術處理資訊的能力將大幅提升，讓自動駕駛或行動裝置無須龐大電源供應，也能配備更強大的電腦。Wei Lu（密西根大學James R. Mellor工程學教授）進一步補充，透過改變裝置的基本物理原理，其效率就能提升千倍，若再結合新的架構，效率還能更高。目前，威斯康星大學麥迪遜分校（University of Wisconsin-Madison）的研究人員賈-米安·胡（Jiamian Hu，材料科學與工程副教授）正提供物理基礎的電腦模擬，以加速裝置設計與性能預測。