作者:苏黎世联邦理工学院奥利弗·莫什 博士后赵楚·罗拥有一个兼具 racetrack记忆和逻辑功能的芯片
信用:马库斯·费舍尔/ PSI 计算机通常在单独的模块中存储和处理数据
但是现在苏黎世联邦理工学院和保罗·舍勒研究所的研究人员已经开发出一种方法，允许在存储元件中直接执行逻辑运算
任何曾经意外拔掉台式电脑插头的人都会回想起那个痛苦的时刻，那时他们意识到任何未保存的信息都将永远丢失
这是因为计算机清楚地区分了计算和数据存储任务
计算机当前使用的任何数据都存储在主存储器中，主存储器和计算机的中央处理器一样，依赖于电流控制的晶体管
这意味着主存储器是“易失性的”:一旦电源消失，数据也会消失
需要长期存储的软件、图像、视频和任何其他数据存储在非易失性存储器中，例如闪存或磁盘驱动器，在需要时可以从那里将它们加载到主存储器中
在皮埃特罗·甘巴代拉和劳拉·海德曼的领导下，苏黎世联邦理工学院和保罗·舍勒研究所的一组科学家现在希望彻底改变这个有几十年历史的原则
他们的目标是构建一个快速、非易失性的存储系统，该系统还可以对数据执行逻辑操作，如“非”、“或”和“与”
他们最近在那次旅程中达到了一个重要的里程碑，这在科学杂志《自然》的一篇文章中有所描述
快速赛道记忆 多年来，研究人员一直致力于开发磁性赛道记忆
这种新型存储器比传统的硬盘驱动器快得多，在传统硬盘驱动器中，读/写头必须通过机械方式移动到磁盘表面的特定区域
相比之下，赛道记忆元件的工作原理是利用电流脉冲来移动微小的磁性区域或磁畴，上下移动只有几百纳米厚的纳米线
在这些域中，所有的磁矩——就像与物质原子相关的微型指南针——都指向同一个方向，因此可以用来表示二进制状态0和1
通过消除对读/写磁头机械运动的需要，跑道存储器提供了比传统硬盘驱动器快得多的存取时间
然而，即使以这种方式存储的数据通常也必须加载到主存储器中进行处理
“我们现在能做的就是在这种记忆元素中直接进行逻辑运算，”推动该项目的博士后研究员赵楚·罗说
计算机使用逻辑运算来处理数据
例如，逻辑运算符NOT反转一个位，将其值从0切换到1，反之亦然
通常这种操作是在主存储器中进行的，数据是从磁硬盘中读取并重写到磁硬盘中的，但不在那里直接处理
奇怪的互动 皮埃特罗·甘巴代拉说:“我们的方法与众不同。”
“我们使用电流来反转磁性区域的极性，从而对存储的数据执行非运算
我们通过利用一种相当特殊的交换相互作用来做到这一点，这种交换相互作用发生在我们在铂层上沉积磁性钴膜的时候
这种相互作用的结果是，磁矩既不平行也不反平行，这是正常情况
相反，由于铂层的存在，相互作用导致相邻磁畴中的磁矩彼此垂直排列
“就好像指南针突然指向东方，而不是北方，”甘巴黛拉说
磁矩的这种垂直排列也导致了一个磁畴和下一个磁畴之间磁化强度的优选旋转方向，类似于螺旋钻在特定方向上的旋转
因此，如果电流脉冲现在通过铂层，流动的电子逐渐改变磁性钴层中原子“指南针”的极性
这移动了在磁化中编码的信息，并产生了移动的磁畴
然后，在垂直相互作用强的预定位置，行进磁畴中的磁化方向被反转
这恰好对应于逻辑“非”运算
有可能在不同的跑道存储器元件中组合这样的操作，从而提供诸如“与”、“或”和“与非”的其他逻辑操作
这些可以组装成更复杂的电路，例如将两个数字相加(见图)
但是，与基于半导体的传统电路不同，在传统电路中，每个晶体管都需要自己的电源，新的赛道存储器电路只需要在输入和输出端提供电流
物联网中的用途 “最初，我认为我们的技术主要用于低计算能力的微处理器，”甘巴代拉解释道
在当今世界，一个特别相关的例子是物联网，其中各种设备和传感器直接相互通信
这类设备中的计算机需要提供“即时启动”功能——即无需上传操作系统就能立即运行——以及低能耗
磁存储器和逻辑运算相结合的技术将是这种应用的理想选择
甘巴代拉说，原则上来说，用同样的方式操作更大的计算机是没有任何障碍的
但实际上，他承认，这不太可能很快发生:“为此优化材料和制造工艺对芯片制造商来说是一项非常昂贵的业务，所以现在说我们的技术是否能取代传统的半导体技术还为时过早
“即便如此，他认为，这种新方法肯定很有意思，值得进一步研究，以发现它能走多远
研究人员已经申请了专利，所以也许我们最终会得到一台电脑，让我们不用担心数据丢失就能拔掉插头
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