[原文章]
每一款存在的處理器都面臨著一個根本問題：速度與熱量是不可分割的。當電子在電路中以更快的速度運行時，阻抗加熱便隨之上升。這也是為何數據中心在冷卻硬件上消耗的電力與運行硬件時相當，並且為何硅晶片的熱包容性成為現代計算中最難突破的瓶頸之一。東京大學的研究人員現在展示了一種完全繞過這一限制的裝置——一種由反鐵磁化合物製成的磁開關裝置，能在 40 皮秒內翻轉二進制狀態，並產生極少的廢熱。
這項工作代表了對一類自旋電子設備的首次實驗性概念驗證，這些設備能在不產生熱量負擔的情況下運行速度可達目前 AI 加速器的 1,000 倍。
皮秒是時間的十億分之一。現代處理器，包括目前生產的最快 AI 晶片，狀態切換的時間尺度為納秒。納秒與皮秒之間的差距，相當於一秒與十七分鐘之間的差距。東京團隊展示的並非是漸進式的改進，而是完全不同的量級。該裝置由 Mn3Sn 構成，這是一種錳與錫的反鐵磁化合物，按照獨特的 kagome 格子結構排列。與傳統半導體不同，後者使用電荷來儲存和處理信息，自旋電子設備則同時利用電荷和電子的磁自旋。
在 Mn3Sn 中，這些自旋以非共線的反鐵磁模式排列，使材料具備了一種特殊的特性：它可以通過電氣方式進行切換，並通過其異常霍爾效應進行讀取，關鍵是它不會產生與鄰近元件相互幹擾的雜散磁場。在東京團隊的概念驗證中，一個 40 皮秒的電脈衝翻轉了裝置的磁狀態，能量消耗僅為當前 AI 加速器的一小部分。
自旋電子設備有望顛覆傳統計算架構
傳統晶片中速度與熱量之間的關聯是熱力學的結果。電子在阻性材料中運動時，動能轉化為熱能——根據物理學，這是無法避免的。切換速率越快，單位時間內所耗散的熱能就越多。因此，最強大的 AI 訓練集羣需要專門設計的冷卻基礎設施，並消耗相當於小鎮的電力。自旋電子設備使用電荷和自旋來處理、儲存和傳輸數據。在其概念驗證中，40 皮秒的電脈衝在產生極少的阻性熱的同時翻轉了裝置的磁狀態。
這對數據中心的影響是顯著的。冷卻目前約佔數據中心總能耗的 40%。一種以皮秒速度運行且不產生相應熱量的切換技術，可能會同時降低冷卻需求和基本計算能量。
研究人員在聲明中小心地校準這一説法。速度的提升並不直接轉化為整體計算速度的提升。計算機不僅僅是一個開關，它依賴於多個硬件和軟件組件協同工作以讀取、處理和傳輸數據。僅僅一個更快的開關是有限的。Mn3Sn 不是硅，無法在不進行重大重新設置的情況下，使用現有的半導體工廠工藝進行製造。所展示的裝置是一個概念驗證的開關，而非處理器。從東京實驗室的一個可運作的反鐵磁裝置到一個可製造的計算元件，能夠與記憶體、互連和軟件堆疊集成，這一過程需要數年的工程，而非數月。
但物理學——這是最需要證明的部分——現在已有實驗確認，這正是下一代計算硬件所需的，因為硅已接近其物理極限。
項目 規格 處理器 Mn3Sn 切換時間 40 皮秒
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