对于计算，可以很容易地将当前所使用的技术分为两大类：快速的电子技术和稳定的磁体技术。电子移动速度快，相互作用强，非常适用于计算。磁体虽不以速度著称，却不易受到扰乱，是完美的数据存储媒介。
但这种划分可能很快就要消失了。随着现代制造技术的发展，人们已经制造出可以执行计算任务的纳米级磁性装置。这些装置的反应速度虽然比不上最先进的晶体管，但开关所需的能量却少得多。
现代芯片耗能很高，因此人们会需要这样的装置。目前，只是在电路中保存数据所需的电量（又称为备用电源）就正在飞速接近实际计算所消耗的电量。而磁控设备保存状态不需要耗电，可以大大减少这种恒功率消耗。恒功率消耗也是芯片产业继续发展的主要障碍之一。
利用磁体制作逻辑装置的方法很多。我们在美国圣母大学的研究小组及其他若干研究团队正在研究一种最简单直接的方法：用小块磁性材料构建逻辑门电路和线路。这些“纳米磁体”就好比微小的条形磁铁。在纳米磁铁电路中，信息并不以电子方式传输，而是直接通过磁引力和斥力传输。当信息从一个磁体传到下一个磁体时，每个磁体的南北极都会翻转，这跟非门反转二进制数字逻辑状态的方式大体相同。
我们已经证实，可以利用这些纳米磁体构造简单的电路，如加法器。随着新制造技术的问世，我们开始考虑构建全集成的逻辑芯片。当前所取得的进展虽然不大，却清楚地表明，这项技术有望用于制造超低功耗芯片。预计在某些情况下，纳米磁体电路只需十分之一甚至百分之一的功耗，但性能却不受影响。对于传感器与显示性电子器件、多核芯片的硬件加速器以及需要计算的应用程序（如自动驾驶汽车的机器视觉系统）来说，这将是一种非常理想的能力。
利用磁性进行计算的想法并不新鲜。一些早期的计算机就包含铁基磁芯，用于存储信息和执行计算。但是，这种磁性逻辑技术要靠在环形磁体间布置导线来实现，体积庞大，无法与日益紧凑的半导体技术抗衡。
目前磁性逻辑的制造规模还较小，半导体行业通过半导体研究公司资助大学的研究，一直在利用各种途径提供相关支持。
其中很多工作都属于自旋电子学领域的一部分，该领域的研究人员试图利用电子的自旋（而非电荷）来传输和编辑信息。自旋是与磁性相关的量子力学属性。加州大学洛杉矶分校的王康龙领导的一个小组就在研究其中的一种方法，即利用通过材料磁层传播的自旋波来传输信息（见《永不失忆的计算机芯片》，IEEE Spectrum 2015年第7期）。普渡大学的苏普里约•达塔（Supriyo Datta）和同事们制定的另一种方案则利用类似的脉冲电线来连接磁点。
我们预计，我们研究的策略会比上述两种都节能。这个策略基于一个简单的构想：创建多个非常小的磁区，使其彼此像条形磁铁一样相互作用。这些相互作用可以作为传输信息的线路，并用于构建进行计算的逻辑门。
这种方法的关键是小型化。在显微镜下观察一块普通的磁性材料时，你会发现磁体自然地分成了若干小块。这些小块称为畴，每个畴内的电子自旋都指向同一个方向。这种方向上的统一就是导致磁化的原因。但是如果所有磁畴的磁性取向都随机排列（也就是说，各个磁畴的北极指向不同的方向），那么总体样品材料就不会被磁化。磁性取向随机排列的磁畴组合有助于减少整个材料磁化过程中所锁定的能量。但要想形成永久磁体，就需要大量的能量来将所有磁畴的指向统一，而改变磁极的取向则需要更多的能量。
如果磁体比材料的磁畴（通常直径约为100纳米）更小，就可以得到微型永久磁铁。就像条形磁铁或罗盘针一样，纳米磁体的磁场方向会自然地倾向于与较长的轴（一端为北极，一端为南极）保持一致。但是，通过微调纵横比（高与宽之比），就可以减少纳米磁体南北极方向翻转所需要的能量。而如果纳米磁体太圆或太小，材料中热能的些许变化就可使纳米磁体的磁极自行随机翻转。
目前，我们利用类似的微型可翻转纳米磁体将信息存储在普通硬盘驱动器中。正在开发的磁性随机存取存储器（RAM）技术也使用这种纳米磁体。在这两种情况下，我们都不希望磁位元彼此相互作用，因为这种相互作用有可能损坏正在存储的数据。但是在构建纳米磁体逻辑时，这些相互作用恰恰是设备连接及进行计算所必需的。
我们在纳米磁铁逻辑方面的工作源于20世纪90年代对量子点进行的宝贵研究。我们最初的想法是尝试利用这些量子点阵列制造计算机，这些量子点阵列由许多块半导体构成，半导体中的电子都被限制在很小的空间内，以至于这些电子呈现出了本应在原子结构里才会出现的量子行为。相邻量子点通过库仑力（吸引异号电荷，排斥同号电荷）而非导线来传输信息。我们发现，这些相互的物理作用可在适当组合的阵列中用来执行逻辑操作。然而，我们遇到了技术限制，部分原因是构建量子点时很难控制其大小。
我们很早就认识到，使用磁点（更稳定、更容易制造，并且能够在室温下操作）可能是很好的选择。21世纪初，继目前在剑桥大学任教的拉塞尔•考伯恩（Russell Cowburn）开展的一些初步工作之后，我们开始模拟并对设备进行实验。
我们最初用铁镍合金来制造磁点。我们将其打造成椭圆形，并沿一个方向拉伸，从而使每个磁体都有首选的南北轴。但我们对拉伸程度也有所限制，目的是最大限度地减少翻转时所需的能量（不同方向表示二进制逻辑的0和1）。
像条形磁铁一样，每个纳米磁体都有“边缘场”，即自磁体延伸到较远距离的磁场。如果纳米磁体距离足够接近，就可以利用一个磁体的磁场来影响附近磁体的状态，从而创建出可以将磁性信息从一个磁体传递到下一个磁体的逻辑电路。
要了解这样的纳米磁铁逻辑如何运作，有必要牢记最基本的磁规则：同性相斥，异性相吸。因此，就像条形磁铁一样，首尾相接的两个纳米磁体的北极总是自然而然地指向相同方向，因此一个纳米磁体的北极与另一个纳米磁体的南极最为接近。如果两个纳米磁体并排放置，即它们的长轴是平行的，那么它们的北极会指向相反的方向，因此两个纳米磁体的异性磁极最为接近。第二种配置称为反铁磁耦合，其实可以视为一个基本电路元件：逆变器。一个纳米磁体作为输入，另一个作为输出，反转信息的状态。
逆变器是一个不错的开端，但要有效地执行逻辑运算，还需要与门（AND）和或门（OR）。2006年，我们发表了第二种逻辑元件——三输入多数决定逻辑门——的概念验证演示。这一元件可用于构建所需的其他两个门。多数门呈现输入的多数状态。一种构建方式是将5个纳米磁体呈十字形排列，即4个纳米磁体包围一个中心点。其中3个磁点作为输入点，中间点的磁化方向与这3个磁体中多数的自旋方向一致，从而“计算”出多数的状态。第5个磁点作为装置的结果输出点。
只要将纳米磁体端到端或并排排列，就可构建连接逻辑门所需的线路。信息在两种排列方式中均可传输。当信息通过时，自旋方向会翻转，有点像多米诺骨牌。（当然，在并排配置中，纳米磁体数量应为奇数，从而使信息传到线路尾端时的状态与最初始端的状态相同。）
基本原理相当简单。但是，你可能已经注意到，这里有一个问题。对于多米诺骨牌，当第一张牌被推倒后，所有多米诺骨牌都会向第一张被推倒的方向倒。而不同的是，一排纳米磁体中并不存在可以决定信息流向的固有特性。位于中间位置的纳米磁体会受到来自两侧纳米磁体的同等影响。如果无法可靠地控制计算方向，计算机出错率就会很高。为了弥补这种计算方向上的本征对称性，我们还需要添加一些时序电路，下面将会进行详细介绍。
纳米磁体有一些很好的属性。它们天生对辐射不敏感，几乎可以无限次开关且性能不会降低，非易失性可以确保它们在不切换开关的状态下，不消耗任何能量即可保存数据。
然而，与此同时，按照现代晶体管标准，纳米磁体的开关速度非常慢，最高也只能达到传统晶体管速度的约百分之一。这意味着，纳米磁体逻辑的速度可能永远达不到吉赫级别。但由于其潜在的节能效应，对于许多不要求达到这种速度的应用来说，它仍是一种诱人的替代方案。
它主要的节能优势体现在电路层面。考虑到纳米磁体以相互作用来执行逻辑运算的方式，只需5个磁体就可实现两个1位数字的相加。而在硅片上创建类似的加法器需要20至30个晶体管。
2011年，我们展示了用多数决定逻辑门、逆变器和纳米磁铁电线制造的第一个全纳米磁体电路：可操作的1位全加法器。基于与IBM合作研究的成果，以及美国国防部高级研究计划局（DARPA）提供的资助，我们有信心利用磁性RAM技术实现纳米磁体电路与外部的连接。这是因为，除了形状不同外，这些纳米磁体与已投入商业化生产的内存芯片中的磁位元区别不大。
但我们早已认识到，只有精确的时钟才能缔造精确的纳米磁铁计算机。正如之前所提到的，我们需要时序电路来确保计算沿正确的方向推进；并且，我们还需要时钟来确保纳米磁体进行可靠的转换。由于磁体非常稳定（这也是磁体常用于数据存储的原因），磁化方向转换是非常棘手的问题。就其本身而言，磁点的边缘场较弱，无法可靠地使邻近磁体实现180度的磁化方向转换。
时钟信号有助于实现纳米磁体的转换。简单的邻近电线就可产生时钟信号，当电线载流时，纳米磁体附近就会产生一个外加磁场。要了解这类时钟如何运作，可以想想椭圆形纳米磁体。如前所述，自然状态下，纳米磁体的磁化方向与其长轴一致。如果利用添加的电线施加一个外加磁场，称为转换磁场，就可以将纳米磁体的磁化方向旋转90度，转为“难”轴（两者中的较短者）方向。对于纳米磁体而言，这是一种不稳定状态，当转换磁场被移除后，磁化方向就会回转至较长的“易”轴，并可能指向长轴两个方向中的任意一个。这时，磁化方向将由邻近磁体的边缘场决定。
为了确保纳米磁体在转向时仅受到附近特定纳米磁体的影响，还可利用时钟电路移开附近不应影响磁体的纳米磁体（信息流下游的磁体），这些磁体同样会被旋转90度。这样，这些下游磁体就无法影响邻近纳米磁体的转换方向了。
2012年，我们用两侧和底部均覆盖铁磁材料的铜线创建了一个时钟系统，用于凝聚磁场。我们证明了的确可以利用通电铜线形成的磁场来实现纳米磁体的转向。
此方案的缺点是，对于时钟信号来说，通电导线的能量密度相对较高。铜线会消耗相当多的热量，并形成不集中的磁场，即使有包层的铜线也是如此。但事实证明，单一的时钟线路能够控制许多并行集合。如果纳米磁体电路的装置数量够多（比如10万个左右），那么每个装置所需的时钟能量就可以很低。不过，这里也同样存在一定的权衡。同一时钟支配的装置越多，对每个装置的控制越弱，出错率也就越高。
我们在圣母大学最初的研究工作是基于磁性薄膜材料上分布的磁点。芯片平面上的每个纳米磁体都是一个二维椭圆。但是，这种做法遇到了棘手的电路设计上的限制。为了充分利用芯片上的空间，必须找到一种方式，制造出能够占据整个二维表面的电路，从而实现在x和y两个方向上传递信息。
最简单的方法是在芯片上使用相同的磁体，以便这些磁体在磁化后都指向同一轴线。为了说明问题，以y轴为例。所有纳米磁体都沿这个方向延伸。但沿y轴传递信息的磁体必须端到端连成一排，而在x方向上传递信息的磁体则必须并排布置。
这种双重安排使电路的设计变得相当复杂。两种配置下的纳米磁体的转换行为是不同的。因此，信号在x和y方向上的传播速度不同，这种情况下，信号同步比传统的硅电路复杂得多。
为了突破这种局限，2009年我们开始与德国慕尼黑理工大学多利斯•施密特-兰西德尔（Doris Schmitt-Landsiedel）和保罗•卢利（Paolo Lugli）领导的小组进行合作。施密特-兰西德尔的团队开创了“易”轴位于芯片面外的纳米磁体逻辑装置的先河。与之前利用小块材料来构建磁体的方式不同，他们利用的是钴、铂等元素的多个互层。互层之间的界面是垂直磁化的，可视为竖立的、垂直于芯片平面的条形磁铁。
制作过程首先是在薄膜上镀层，之后利用聚焦离子束仪在薄膜上刻制。在离子束轰击后，材料之间清晰的接触面会被破坏，因此平滑的薄膜被分成若干单独的小区域，以展现单畴行为。慕尼黑的研究小组最近也制作出与我们之前所展示的平面纳米磁体类似的逻辑门和加法器。
令人鼓舞的是，平面外设计为新型时钟提供了机会。2013年底，美国加州大学伯克利分校塞耶夫•萨拉赫丁（Sayeef Salahuddin）领导的团队发现，可以利用置于纳米磁体下方的磁性材料薄片对面外纳米磁体进行时钟控制。根据自旋霍尔效应原理，具有特定自旋方式的电子可以在纳米磁体下方聚集，产生能改变方向的磁场。在电路层面，这种方法的能效比载流导线高数百甚至数千倍。
这对制造高效计算机的愿景来说确实是一个好消息。预计纳米磁体在数据密集型、高流量应用（如滤波、多项式求值以及离散傅里叶变换）中将尤为有用。这类计算是图像和信号处理的基础，如果在线路中执行，可大大加快计算速度。在这种计算策略中，尽可能运行并行计算，并保存已经计算的数据块，直到整个计算可以执行下一个步骤。在普通计算机中，这种方法需要添加额外的电路来有效保存数据，因此会增加芯片消耗的能量。但是纳米磁体在被改变前可自然地保持状态，因此数据在使用之前就已自动保存了。
这项技术何时能在芯片中应用呢？这个问题让我们这些追求新型计算设备的人陷入尴尬。此类技术必须与那些几十年来不断得到优化的硅晶系统竞争。纳米磁体逻辑（或任何未来的逻辑）能否取得成功取决于各种因素的综合作用，而不仅仅是技术。
但有朝一日，对节能电路的需求很可能会战胜硅晶的便利性。那时就是磁性逻辑系统的天下了。
作者: Wolfgang Porod、Michael Niemier
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