韩国开发“反损耗”磁控技术：无需强电流！AI芯片能效革新

韩国科学技术研究院（KIST）半导体技术研究中心的韩东秀（Dong-Soo Han）博士团队与韩国大邱庆北科学技术院（DGIST）洪正一（Jung-Il Hong）教授及延世大学金庆焕（Kyung-Hwan Kim）教授团队合作，开发出一种可将传统视为单纯损耗的“自旋损失”转化为磁控制新动力源的器件原理。

自旋电子学是利用电子“自旋”特性存储和控制信息的技术，因其比传统半导体功耗更低、非易失性更强，被视为超低功耗存储器、神经形态芯片及概率计算设备等下一代信息处理技术的核心基础。这项研究的意义在于，它提出了一种能显著提升自旋电子器件效率的新方法。

研究团队发现了一种新物理现象：磁性材料无需外部刺激即可自发切换内部磁化方向。磁性材料是下一代信息处理设备的关键——通过改变内部磁化方向存储信息或执行计算。例如，磁化方向向上可视为“1”，向下视为“0”，从而实现数据存储或计算。

传统上，要逆转磁化方向需施加强电流以迫使电子自旋进入磁体。但此过程会产生自旋损失——部分自旋未到达磁体即耗散，这被视为功耗浪费和效率低下的主要原因。

此前，研究人员专注于材料设计和工艺改进以减少自旋损失。但现在，该团队发现自旋损失实际上具有相反作用：它能改变磁化方向。这意味着自旋损失会诱导磁性材料内部自发磁化切换，类似气球放气时因反作用力而移动的原理。

实验中，团队证实了一个悖论：自旋损失越大，磁化切换所需功耗越低。结果显示，其能量效率比传统方法高出三倍，且无需特殊材料或复杂器件结构，具有极高的实用性和工业扩展性。

此外，该技术采用与现有半导体工艺兼容的简单器件结构，易于大规模生产，且有利于微型化和高集成度。这使其可应用于AI半导体、超低功耗存储器、神经形态计算及概率计算设备等多个领域，尤其有望推动AI和边缘计算用高效能计算器件的快速发展。

“此前自旋电子学领域仅关注减少自旋损失，而我们通过将损耗用作诱导磁化切换的能量，开辟了新方向。”KIST高级研究员韩东秀表示，“这些成果可作为AI时代必备的超低功耗计算技术基础，我们计划积极开发超小型低功耗AI半导体器件。”