用于超低能耗计算的电控拓扑自旋开关——性能建模与基准评测

本文提出一种使用混合拓扑绝缘体-磁性绝缘体多铁异质结构的电控拓扑自旋开关（vTOPSS），其可实现每比特低于 10 aJ 的能耗以及约 $10^{-27}$ Js 量级的能量延迟积布尔逻辑运算。该器件利用拓扑绝缘体（TI）——迄今在室温下观测到的电场到自旋转矩转换效率最高者——以及低磁矩磁性绝缘体（MI），后者可对给定自旋转矩快速响应。我们给出 vTOPSS 的工作原理，建立其性能指标的解析模型，阐明性能随尺寸与电压的缩放关系，并将 vTOPSS 与现有基于自旋的器件及 CMOS 器件进行基准评测。相较于全自旋逻辑和电荷自旋逻辑等现有基于自旋的器件，vTOPSS 提供低 100$\times$ 的能耗与（40-100）$\times$ 更低的能量延迟积。随着实验进展与材料特性改善，我们证明 vTOPSS 的能量延迟积可降至 $10^{-29}$ Js，与现有 CMOS 技术相当。最后，我们确认在 CMOS 逻辑中占主导的互连问题对 vTOPSS 相对不重要，意味着高电阻材料确实可用于互连 vTOPSS 器件。