纳米逻辑机效率可望超越二进制运算

15 3月 2017

        一个包含了来自比利时、意大利、澳大利亚、以色列和美国的科学家所组成的研究团队,稍早前在《Nano Letters》上发表了新的纳米级逻辑机的研究成果。与当前计算机以二进制为主的晶体管不同,新的纳米级逻辑机能物理性地模拟问题,并利用在纳米尺度上控制物理系统行为的随机特性──过去这种内在随机性都被视为一种缺陷。

电子自动化展快讯纳米逻辑机效率可望超越二进制运算   

         据报导,参与这项研究的比利时列日大学科学家透露其研究成果展现了运用全新微型模拟计算机,通过运行在纳米级固态物理设备上的简单统计算法来解决困难的计算问题的可能性。   

        新的纳米逻辑机包含了独立的磷原子,它们被精确定位并嵌入在密度为每平方厘米2000亿个原子的硅晶体之中。单一电子会由于量子穿隧效应而随机进出原子。由于每个原子可容纳1~2个电子,加上每个电子都能呈现几个不同的能级,因而每个原子都能出现四种可能的状态之一。每个原子都根据不同的概率转换四种状态,对应原子中的随机电子穿隧进出情况改变其能级。   

        研究人员发现这种物理现像可用来模拟某些计算问题。他们举了一个简单的例子来证实这个概念:在四个相连的房间组成的迷宫中的游客路径,其任务是找到打开大门的最佳组合概率,以最大限度地提高游客花在一个特定房间内的时间。   

传统计算方法需要很大工作量才能解决这种类型的问题,因为这个任务涉及到游客在迷宫中的动态信息收集和分析,而后才会尝试优化大门的打开机率。   

        而新的逻辑单元能以更直接的方式找到解决方案,因为该问题物理上是由原子“硬件”本身所体现。针对这个特定问题,迷宫的拓朴结构对应于原子状态,而游客的动态则对应于电子的穿隧效应。   

        使用扫描穿隧显微镜,研究人员能够量测电子穿隧率,它们还可以通过控制沿着显微镜探针到衬底之间距离的探针电压来控制电子穿隧率。因而迷宫问题就成为了设法找到电压和探针距离组合,以最大化原子呈现某种状态的时间。   

        由于单一电子动态的变化,每个原子都具有稍微不同的电子传输特性,这意味着某些原子会比其他原子拥有更好的最佳值。如果将原子用作开关器件,如晶体管,那么这种变异将被视为一种缺陷,因为它可能会引发错误。但在这里其可变性却由于它允许数十亿个逻辑器件做比较以确定哪些电子传输特性有助于维持原子在特定状态下更长时间而变成一种优势。   

        科学家们预计未来纳米级逻辑器件将具备解决各种复杂问题的能力,因为它们是直接模拟问题,而非以二进制来做处理。   

        纳米级和分子器件作为硬件逻辑具有很多优势,如更高的封装密度、更低功耗或可用于编码信息的状态更多等。然而,由于热激活和量子过程的基本随机特性,其活动是由概率所决定。在传统硬件中,要实现概率算法来做最简单的应用仍需要很大开销。举例来说,仅仅从概率分布中抽取一个伪随机数,在现代计算机中需要数百条指令才能完成,而采取真正随机时间的电子穿隧则是更加自然的处理过程。   

        未来研究人员计划开发其他种类的纳米逻辑装置,但要实现将需要极精确地定位部件。   

        理论上研究人员将持续开发针对不同信息处理范式量身定制的纳米和分子系统,但最大挑战在于以原子级精度完全控制硅基体中掺杂原子的位置,以及如何就其传输特性做设计。

(文章来源:互联网)

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