微小磁涡流可推动高性能计算机进步 号称效率提高100倍

小小的磁漩涡可能会彻底改变高性能计算机内存的存储。磁铁会产生无形的场，吸引某些材料。一个熟悉的例子是冰箱磁铁。然而，它们在计算机中存储数据方面也发挥着重要作用。通过利用磁场的方向（例如，向上或向下），微型条形磁铁可以将每一个比特存储为零或一，这是计算机语言的基础。

美国能源部阿贡国家实验室的科学家们正在努力用微小的磁涡（被称为skyrmions）取代这些条形磁铁。这些小至十亿分之一米的旋涡在某些磁性材料中形成，并有可能带来新一代的微电子技术，用于高性能计算机的内存存储。

在阿贡材料科学部（MSD）工作的西北大学研究生亚瑟-麦克雷（Arthur McCray）说："计算机存储器中的条形磁铁就像打了一个活结的鞋带，几乎不需要任何能量就能解开它们。而且任何条形磁铁由于某种破坏而出现故障，都会影响到其他的磁铁。相比之下，skyrmions就像打了死结的鞋带。无论你如何用力拉动一根线，鞋带都会保持更加系紧。因此，skyrmions对任何干扰都非常稳定。另一个重要特点是，科学家可以通过改变温度或施加电流来控制它们的行为。"

随着温度从-92华氏度（204开尔文）到-272华氏度（104开尔文），skyrmion分组从高度有序到无序的变化。明亮的点表示有序。资料来源：阿贡国家实验室

科学家们对不同条件下的skyrmion行为有很多需要学习。为了研究它们，阿贡领导的团队开发了一个人工智能（AI）程序，该程序与阿贡的纳米材料中心（CNM）的高功率电子显微镜一起工作，CNM是美国能源部科学办公室的用户设施。该显微镜可以在非常低的温度下观察到样品中的天体。

该团队的磁性材料是一种铁、锗和碲的混合物。在结构上，这种材料就像一叠有很多张的纸。一叠这样的纸片包含许多天体，而一张纸片可以从顶部剥离，并在CNM这样的设施中进行分析。

MSD的博士后Yue Li说："CNM的电子显微镜加上一种被称为机器学习的人工智能，使我们能够直观地看到skyrmion片以及它们在不同温度下的行为。我们最有趣的发现是，在华氏零下60度及以上的温度下，天离子以高度有序的模式排列，"MSD的材料科学家和小组负责人Charudatta Phatak说。"但是当我们冷却样品时，天体离子的排列就会发生变化。就像啤酒泡沫中的气泡一样，一些skyrmions变得更大，一些更小，一些合并，一些消失。"

在零下270度，该层达到了几乎完全无序的状态，但当温度回到零下60度时，秩序又回来了。这种随着温度变化的有序-无序过渡可以在未来的微电子学中被利用，用于存储。

科学家估计skyrmion的能源效率可能比目前用于研究的高性能计算机的存储器好100到1000倍。

能源效率对下一代微电子技术至关重要，今天的微电子学已经占到了世界能源使用量的一个显著部分，并可能在十年内消耗近25%。必须找到更加节能的电子产品。