根(gen)據(ju)加(jia)州(zhou)大(da)學(xue)伯(bo)克(ke)利(li)分(fen)校(xiao)電(dian)力(li)工(gong)程(cheng)師(shi)的(de)研(yan)究(jiu)，未(wei)來(lai)計(ji)算(suan)機(ji)可(ke)能(neng)使(shi)用(yong)一(yi)種(zhong)由(you)納(na)米(mi)磁(ci)鐵(tie)製(zhi)作(zuo)的(de)處(chu)理(li)器(qi)，僅(jin)消(xiao)耗(hao)物(wu)理(li)定(ding)律(lv)所(suo)限(xian)的(de)最(zui)低(di)能(neng)量(liang)，這(zhe)就(jiu)是(shi)磁(ci)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)計(ji)算(suan)機(ji)。目(mu)前(qian)的(de)矽(gui)基(ji)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)芯(xin)片(pian)依(yi)賴(lai)於(yu)電(dian)流(liu)
，也(ye)就(jiu)是(shi)運(yun)動(dong)電(dian)子(zi)，會(hui)產(chan)生(sheng)大(da)量(liang)的(de)廢(fei)熱(re)。如果用納米磁鐵，就像微型的冰箱磁鐵那樣，用來進行存儲
、邏輯運算與開關操作
，理論上不需要電子。

　　終極能效計算機

　 “目前的計算機運行要靠電流，通過電子在電路上的運動，完成各種信息處理功能。”加州大學伯克利分校電力工程與計算機科學係研究生布賴恩·拉姆森解釋說，“但一種靠磁力工作的計算機不需要運動電子，如果用磁鐵來存儲數據、處理信息，隻要把磁鐵做得足夠小，並把它們整裝在一起

，就會產生相互作用，支持運算、存儲以及控製等所有計算機的功能。”

　 在室溫下
，這種芯片每次操作僅耗用18毫電子伏特的能量

，這是熱力學第二定律所允許的最小量

，稱為蘭道爾極限，比目前計算機的每次操作耗能要低100萬倍。

　 “原則上

，我認為人們能造出按蘭道爾極限運行的真實的電路。”加州大學伯克利分校電力工程與計算機科學教授、能效電子科學中心共同主管傑弗裏·博格說，“即使這種電路的工作能效比蘭道爾極限高一個數量級，也將帶來巨大的節能效果
，這將是徹底的革命。”

　　能效電子科學中心去年從美國國家科學基金會獲得了2500萬美元撥款，其中一個目標就是建造在蘭道爾極限能量下運行的計算機。

　　向蘭道爾極限能量進軍

　 50年前，羅爾夫·蘭道爾利用當時新型的信息論計算了一次邏輯運算所需要的最低能量，比如一次“and（和）”或“or（或）”的運算，根據熱力學第二定律，會消耗一個固定值（kTln2）的熱量。比如在一個標準邏輯門中，有2個輸入和1個輸出，當兩個輸入值都為正時

，一個and運算產生一個輸出值；而兩個輸入值中隻要有一個為正，一個or運(yun)算(suan)就(jiu)可(ke)產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)輸(shu)出(chu)值(zhi)。該(gai)規(gui)則(ze)是(shi)一(yi)種(zhong)不(bu)可(ke)逆(ni)過(guo)程(cheng)
，一(yi)次(ci)邏(luo)輯(ji)運(yun)算(suan)或(huo)擦(ca)去(qu)一(yi)個(ge)比(bi)特(te)的(de)信(xin)息(xi)，所(suo)消(xiao)耗(hao)的(de)能(neng)量(liang)無(wu)法(fa)恢(hui)複(fu)。也(ye)就(jiu)是(shi)說(shuo)，任(ren)何(he)封(feng)閉(bi)係(xi)統(tong)的(de)熵(shang)不(bu)可(ke)能(neng)減(jian)少(shao)。

　 在今天的晶體管和微處理器中，這一極限遠遠低於以熱量形式散失的能量，熱能損耗主要來自電阻。

　 2006年時，法國巴黎聖母大學的研究人員第一次用磁性納米粒子成功地演示了一次邏輯操作
，他們用16個耦合的納米磁鐵構造了3個輸入主體的邏輯門。拉姆森對他們的磁性邏輯運算進行了熱量分析，發現這種電路也能在蘭道爾極限能量下運行。

　　目(mu)前(qian)已(yi)有(you)許(xu)多(duo)科(ke)研(yan)團(tuan)隊(dui)和(he)科(ke)學(xue)家(jia)，包(bao)括(kuo)博(bo)格(ge)和(he)拉(la)姆(mu)森(sen)研(yan)究(jiu)小(xiao)組(zu)在(zai)內(nei)，致(zhi)力(li)於(yu)開(kai)發(fa)不(bu)依(yi)賴(lai)電(dian)子(zi)運(yun)動(dong)也(ye)能(neng)工(gong)作(zuo)的(de)計(ji)算(suan)機(ji)，向(xiang)蘭(lan)道(dao)爾(er)極(ji)限(xian)進(jin)軍(jun)。加(jia)州(zhou)大(da)學(xue)伯(bo)克(ke)利(li)分(fen)校(xiao)研(yan)究(jiu)小(xiao)組(zu)用(yong)一(yi)種(zhong)簡(jian)單(dan)的(de)磁(ci)性(xing)邏(luo)輯(ji)電(dian)路(lu)和(he)磁(ci)性(xing)存(cun)儲(chu)設(she)備(bei)對(dui)磁(ci)微(wei)處(chu)理(li)的(de)能(neng)效(xiao)極(ji)限(xian)進(jin)行(xing)了(le)檢(jian)驗(yan)。

　　他們用一種寬約100納米、長200納na米mi的de磁ci鐵tie製zhi作zuo了le磁ci性xing存cun儲chu和he邏luo輯ji設she備bei。納na米mi磁ci鐵tie也ye像xiang其qi他ta磁ci鐵tie一yi樣yang有you著zhe南nan北bei兩liang極ji，兩liang極ji向xiang上shang或huo向xiang下xia的de方fang向xiang可ke用yong於yu表biao示shi計ji算suan機ji存cun儲chu中zhong的de二er進jin製zhi代dai碼ma0或1。此外
，當多個納米磁鐵結合在一起時

，它們的北極和南極通過兩極間的力相互作用，顯出晶體管的功能，能夠實現簡單的邏輯運算。

　　經過計算和計算機模擬證明，雖然尚未達到蘭道爾極限，但一次簡單的存儲操作，如擦掉一個磁比特（也稱恢複操作），所需的能耗非常小。由於蘭道爾極限與溫度成比例，將電路致冷到低溫狀態效率會更高。

　 “磁鐵本身也可作為一種存儲器，但真正的挑戰是讓電路和晶體管運行起來。”拉姆森說。

　　挑戰極限任重道遠

　　向蘭道爾終極能效極限進軍無疑還要克服很多困難。比如用於產生磁場


、cachuhuofanzhuannamicitiedejixingdedianliuyehuixiaohaoxuduonengliang

，erlixiangzhuangtaixia
，xincailiaoyingdangbuzaixuyaodianliu，chufeishijiangyigexinpianshangdexinxikaobeidaolingyigeshangmian。

　　其他方麵的障礙還包括，當能耗降低後
，設備會對隨機的熱波動、雜散磁場及其他噪聲幹擾更敏感，從而變得更不穩定。

　　“muqian
，womenzhengzaiyanjiuyizhongzhijieyongdianyaerbushiwaijiacichanglaikongzhicixingdefangfa，keyizaimeiyouwaibucichangdeqingkuangxiashurunengliang
，biruyongyizhongtongshijuyoutiedian、鐵磁兩種性能或更多種性能的多鐵性材料。”博格說，“這種磁性技術對超低能量非常有用。同時我們還在尋找其他的方法，讓它在速度、性能和穩定性方麵更有競爭力。”