研究人员为极低功耗设备创建基于斯格明子的存储技术

由新加坡科学技术研究局(A*STAR)领导的一个研究小组与新加坡国立大学(NUS)合作，创造了一种创新的微电子设备，可以作为可持续、高性能的“位开关”。”这为未来的计算技术更快地处理数据、同时使用更少的能源铺平了道路。

通过利用称为斯格明子的微小、稳定和快速的磁涡流，该设备的运行功耗比商业存储技术低1000倍。这一发现发表在《自然》杂志上。

需要更可持续、更高效的人工智能计算

ChatGPT等新兴人工智能技术需要以极快的速度处理大量数据，这需要巨大的计算能力。信息通信技术已经消耗了全球近20%的电力，随着此类大型人工智能模型的发展，这一数字还将进一步飙升。为了满足这些快速增长的需求，基本的计算“交换机”或内存位已经缩小到越来越小的尺寸，并且正在接近其物理极限。

缓解这一能源危机的一个重要方法是边缘计算，特别是在移动、医疗保健和制造领域。在这里，数据在电话、智能家电和车辆等单个设备内处理，而不是在耗电的大型数据中心内处理。然而，由于有限的计算能力和功率限制，边缘设备目前无法执行复杂的计算任务。迫切需要开发一种完全不同的微电子平台，以实现高效、可持续的人工智能计算。

激活斯格明子的潜力

斯格明子是一种微小的磁旋涡，比人类头发的宽度小10,000倍，当它们变得非常薄时，它们会在特定的磁层内形成。这些漩涡被发现仅十年前，它们非常稳定和紧凑，并且可以在磁区之间有效地移动。它们构成了人工智能技术高效、大规模数据处理的理想移动交换机。

为了挖掘斯格明子的巨大潜力，使用电子通路(例如计算机中使用的电子通路)来访问它们至关重要。虽然斯格明子可以在特殊显微镜下观察到，并且十多年来一直使用大型磁铁来操纵斯格明子，但缺乏电气控制一直是其技术相关性的关键障碍。

该团队的突破是第一个实现斯格明子的电读出(“识别”)的电读出(“识别”)和状态之间的电切换(例如，“0”到“1”，反之亦然)。为此，该团队采用了一种称为隧道结的设备，该设备可在环境条件下运行，并广泛用于商业内存和硬盘应用。

他们发现，斯格明子的特殊属性使得状态之间的切换能够使用比商业设备少1,000倍的功耗。他们还发现，可以在单个设备内实现两种以上的状态，从而避免了缩小设备尺寸以增强性能的需要。

未来发展方向

“斯格明子具有独特且难以捉摸的属性，可用于以前所未有的效率和功能实现各种人工智能架构。我们的微电子设备提供了人们期待已久的钥匙来释放其巨大潜力。它将有助于巩固斯格明子作为未来不可或缺的组成部分。团队负责人、新加坡科技研究局材料研究与工程研究所(IMRE)首席科学家、新加坡国立大学理学院物理系助理教授AnjanSoumyanarayanan博士说道。

“我们的微电子设备是在200毫米硅晶圆上制造的，使用的材料和方法在新加坡和全球现有的微电子铸造厂中很容易使用。我们希望与电子集群生态系统合作，加速这些设备与现有边缘计算技术的实际集成。”IMRE电子材料部门的高级科学家JamesLourembam博士说道。

该团队希望，随着电气性能的进一步完善，增强型计算开关可以使用现有方法轻松集成到微处理器中。该团队正在寻求与半导体制造公司和系统集成商合作，以扩大该技术的应用范围。