使用磁性斯格明子实现高效计算的飞跃，功耗可能降低3个数量级

在现代计算和数据存储技术的迷宫中，新加坡空间、技术和研究机构（A*STAR）和新加坡国立大学（NUS）的研究人员用他们的突破性发展照亮了一条道路：一个微电子奇迹，可能会重新定义可持续、高性能计算的边界，这项研究最近发表在《自然》期刊上。

这一创新的关键在于磁性斯格明子（magnetic skyrmions）的奇特世界——微小的、拓扑的磁化漩涡(whirls)，这可能是未来节能数据处理的关键。与需要大量能量来操作的传统内存位不同，斯格明子可以用非常小的功率来控制，使它们成为我们能源渴求的数字时代的希望灯塔。

斯格明子突破

斯格明子不仅仅是普通磁性现象。它们是最小的可实现的紧急磁性实体（emergent magnetic entities），承诺为存储和操作数据提供强大的纳米级解决方案。然而，挑战在于以一种实用、可扩展的方式利用这些难以捉摸的结构。这就是A*STAR和NUS的研究标志着巨大进步的地方。

该团队成功开发了一个手性磁隧道结（ chiral magnetic tunnel junction，MTJ），在室温环境条件下可以容纳一个单一、稳定的斯格明子（skyrmion）——这一壮举类似于在瓶子中捕捉闪电。这个MTJ不仅存储斯格明子；它还实现了它们的确定性电气读数和操作，这是以前遥不可及的。

斯格明子在计算中的力量

这个研究的影响是广泛而多样的。首先，该技术的运行功率比传统存储设备低1000倍。在数字领域的能源消耗已成为一个关键问题的时代，这种效率可能导致全球数据中心的碳足迹大幅减少，因为数据中心目前占全球用电量的近20%。

此外，电气控制斯格明子的能力为计算设计开辟了新的途径。研究表明，这些设备可以支持三种 不同的非易失性电气状态。这种多状态能力，加上切换状态的低能耗要求，为先进的内存技术铺平了道路，这些新的技术不仅更紧凑，而且效率更高。

从理论到实际应用

该团队方法的技术亮点在于他们使用一套电气和多模态成像技术来实现斯格明子的成核（nucleation）、操作和读数。通过对MTJ施加电压，他们模拟了磁场的影响，重塑了开关跃迁的能量和动力学。这种方法允许以最小的能源消耗精确控制斯格明子状态。

这种创新并不局限于学术好奇心的领域。它的实际应用是无数且有影响力的。高密度存储设备、移动和物联网设备的低功耗计算解决方案、人工智能和机器学习的高级处理单元，甚至量子计算的潜在途径现在都在可能范围内。

协作的未来

团队正在看向实验室之外。研究人员称，他们的微电子设备是在200毫米硅片上制造的，使用新加坡和全球现有微电子制造厂容易使用的材料和方法。该声明强调了该项目融入现有制造流程的准备，这是迈向商业化的关键一步。

研究人员热衷于与电子行业合作，将这些基于斯格明子的设备推向市场。他们的愿景很明确：将这项技术集成到微处理器和内存系统中，使超高效计算不仅成为一种愿望，而且成为现实。

迈向可持续的数字未来

随着数字革命的不断加速，对更高效的计算架构的需求变得越来越迫切。ChatGPT等人工智能技术的出现以及我们互联世界日益增长的数据处理要求凸显了对可持续解决方案的需求。

A*STAR和NUS的工作是这一探索的灯塔，为大幅减少未来计算系统的能耗提供了切实可行的途径。通过利用磁性天际的独特特性，它们为计算既高性能又具有环境可持续性的未来打开了大门。

总之，承载稳定天际的手性磁隧道连接的发展代表了计算技术的重大飞跃。它不仅承诺提高效率和性能，还承诺朝着科技部门急需的可持续性迈出一步。随着这项研究从实验室转移到现实世界，它具有重新定义计算领域可能性的潜力，提供了对未来的一瞥，即我们的数字生活由磁性天空的悄悄旋转驱动。