磁计算机（120310）
闵应骅

   电子计算机时代已经过了60年。现在，计算机已经不是什么高不可攀的东西，全世界几乎人人有，人人用，推出了一个信息时代。事情总是要发展、要变化，磁计算机开始引起人们关注。CACM本月号有一篇文章介绍。磁计算机，我也不懂，介绍一下，也许有人会有兴趣，尤其是这种前瞻性的研究，对于国内立项专家也许会有启发作用。
   世界上计算机研发人员正在研究用纳米铁磁元件做成逻辑线路和存储器，以建造比今天的电子计算机有效100万倍的磁计算机。这种计算机不是基于硅基晶体管，因为作为电子计算机核心部件的基于硅基的晶体管，其电路密度已经基本达到极限，而它不停的翻转所引起的功耗产生大量的热，致使功耗已经成为一个致命的问题。近期研究人员提出的一些小修小补，无济于事。虽然磁计算机的研发已经取得乐观的进展，但是，要达到商业化，恐怕是若干年以后的事了。
   CMOS电路主要是跳变消耗电流，而同步电路时钟始终是在跳变，频率越高，电流就越大。即使计算机在空闲不用，也在消耗电流。纳磁可以组成逻辑电路，但没有电子移动。研究表明：这种逻辑装置的运行可以达到由热力学第二定律给出的最高级别有效性。
   磁计算机的另一个优越性是：磁性在电源关闭的情况下仍然保持，在重新启动时，没有时间和能量的浪费。其不挥发性和高有效性满足美国国防高级计划研究署（DATPA）的需求，2010年底DARPA跟几个大学和公司签订了研究合同，包括美国圣母大学一个研究组990万美元的合同，和加州大学洛杉矶分校(UCLA)一个组的840万美元的合同。你看，人家的国防研究是面向全社会的，并不限于军内。
   美国圣母大学的Wolfgang Porod 15年前提出所谓量子点细胞自动机。一个量子点包含一个电子，信息根据细胞阵列中电子在这些量子点中的安排和处理来编码。理论上说，这想法有希望，但实际上不可行，因为单个电子的位置太容易被干扰，除非是在极低的温度下。现在，他用纳磁(nanomagnet)代替量子点，稳定得多，健壮得多。他们现在能够展示：用磁的不同安排表示逻辑，不同的物理作用给出不同的逻辑功能。纳磁装置用5个磁体建造一个多数表决逻辑门，三个输入，一个输出，一个磁体在中心，两个或三个输入为0，输出就为0，否则就是1.
   UCBerkeley一个研究生Brian Lambson用纳磁建造逻辑门。他说：100nmX200nm的装置可以用18meV（毫电子伏特）在室温下完成一位的操作，比传统的微处理器快100万倍。但目前还无法测量其功耗。
   纳磁用不同方式组合可以完成布尔运算，单个可作一位存储单元。逻辑门本身就是一个存储单元，不需要运算单元和存储器之间的数据交换，而这恰恰是当今提高电子计算机速度的瓶颈。
   我读过几篇量子计算机的文章，觉得输入、输出是个大问题。对于磁计算机，UCBerkeley现在是用电流在纳磁周围产生外部磁场来读写的，这需要很多电流。他们也在试验用一种新的多铁性材料作为纳磁与正规金属层的电介质。电压上去，就会开关，没有电流。他们还在与IBM合作，试验用IBM原来读写磁随机存储器的办法。UCLA在开发自旋波总线，即磁纳米线，形成连接，传播磁化波形，不需要电流。
   磁计算机真正要付诸实现，需要有效性、速度、可靠性和价格的平衡。有效性不用说100万倍，就是1万倍或者1千倍的提高，加上比较好的速度和可靠性就已经很令人满意了。但是，磁计算机的商业化至少要5年以后，甚至10-20年，而且不敢说能替代电子计算机。不过，纳磁处理器可以用于检测环境的自治传感器无线网络，或者是法律实施和国家安全应用中的声音和振动检测。这种网络可能包括上千个节点，每一个节点带有若干传感器，和双向通信能力，不带电池。其能量也许可以从环境中来。
   我觉得，这些前瞻性的研究，我们国家可能也需要安排。中国人聪明，也许能搞出真正原创性的东西来。这些尖端的研究也不宜过于局限在几个名牌大学里，或者是中国科学院里，应该更普及一些，让更多的人来参与。科研经费过分集中，大家有意见。让二、三类大学和研究所也能参与这些研究，这个问题就能缓解。

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