經(jīng)典的馮·諾依曼計(jì)算機(jī)架構(gòu)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理分離。由于指令、數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器和處理器之間的高頻轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致了計(jì)算機(jī)發(fā)展的“存儲(chǔ)墻瓶頸”與“功耗墻瓶頸”。能不能模仿人類的大腦，構(gòu)建新型器件實(shí)現(xiàn)計(jì)算和存儲(chǔ)一體化，完成低功耗的復(fù)雜并行計(jì)算呢？

 

理論上提出的自旋場效應(yīng)晶體管（自旋FET）同時(shí)具有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理的潛力，具有高速、低能耗及非易失特性。前期工作中，國家納米科學(xué)中心的孫連峰團(tuán)隊(duì)與其合作者成功構(gòu)建出室溫自旋FET。最近他們通過實(shí)驗(yàn)證明該種自旋FET同時(shí)具有存儲(chǔ)功能，為實(shí)現(xiàn)存算一體化、低功耗、并行計(jì)算開辟了一種新途徑。

 

在這項(xiàng)工作中，一種“H”結(jié)構(gòu)的器件被構(gòu)建，左邊金屬作為傳統(tǒng)的電流電壓回路，通過一根碳管與右邊金屬電極相連，而右邊金屬置于開路狀態(tài)。由于碳管含有兩段沿徑向的開口，且開口處存在局域巨磁矩，因此當(dāng)有電流沿左邊金屬流動(dòng)時(shí)，引起沿碳管方向的自旋流。這樣導(dǎo)致了右邊的金屬除了傳統(tǒng)的電阻分壓，還含有一項(xiàng)自旋流引起的電勢。該自旋相關(guān)信號(hào)的電勢（Vnon-local）隨著柵壓變化呈現(xiàn)明顯的兩個(gè)臺(tái)階（狀態(tài)），可作為存儲(chǔ)器的非易失電信號(hào)，且該信號(hào)被外加磁場調(diào)控。單壁碳管通常被看作一種直徑1.5納米左右的分子，該存儲(chǔ)器的研制成功表明自旋分子存儲(chǔ)器可在室溫下工作，為高性能非馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的研制打下了基礎(chǔ)。

自旋分子存儲(chǔ)器的電學(xué)特性及其電學(xué)測量示意圖

 

相關(guān)研究成果以Room-temperature nonvolatile molecular memory based on partially unzipped nanotube為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。國家納米科學(xué)中心博士生彭志盛和新加坡南洋理工博士鄧婭為該研究的共同第一作者。該研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國家自然科學(xué)基金委，中國科學(xué)院項(xiàng)目及廣東粵港澳大灣區(qū)國家納米科技創(chuàng)新研究院等的支持。