全球首款硅基自旋电子p-bit问世

由日美两国科研人员组成的联合研究团队，依托半导体量产工艺，在硅芯片上成功研制出全球首款集成化自旋电子概率比特（p-bit）。该研究团队成员来自东北大学与美国国家标准与技术研究院，通过实验验证了概率比特的工作性能；概率比特是概率计算机（p-computer）的核心基础元器件。本次研究成果，为面向人工智能、机器学习等领域的大规模自旋电子概率计算机研发打通了技术路径。

大量新兴计算问题需要在海量可选状态中高效遍历求解。传统计算机以 0、1 二进制码串行运算，很难适配这类高并行度计算任务。而概率计算机采用概率比特，借助器件自身的物理随机特性，在 0 和 1 之间随机跳变。

凭借可快速遍历海量运算状态的优势，概率计算机成为备受关注的下一代计算架构。在多条技术路线中，自旋电子技术前景尤为突出：纳米级磁器件可依托磁扰动天然实现随机概率特性。

相关成果刊发于《IEEE Electron Device Letters》期刊，Ju-Young Yoon、Nuno Cacoilo、Shun Kanai、Shunsuke Fukami、William Andrew Borders 等研究人员整合日美前沿半导体制造工艺，在硅基晶圆上直接制备出自旋电子概率比特。

项目先用 SkyWater Technology 提供的 130 纳米 CMOS 工艺完成晶体管与下层互联线路制备，再依托东北大学自旋电子器件制备平台，集成超顺磁性纳米器件与上层电极。研究团队验证了概率比特运行所需两大关键特性：输出电压随时间随机波动、可通过输入电压调控平均输出电平。这也是全球首次采用集成电路工艺，在单片硅芯片上单片集成制备自旋电子概率比特。

概率计算机能够为组合优化、机器学习等领域的高难度计算难题提供极具潜力的解决方案。这类系统的核心基础单元为概率比特（p-bit），该器件以超顺磁隧道结（sMTJ）作为随机信号发生源。基于超顺磁隧道结的概率比特系统想要实现规模化量产，一大关键难点在于超顺磁隧道结与 CMOS 工艺的集成。

根据采用 130 纳米 CMOS 工艺集成超顺磁隧道结的概率比特单元实测结果：超顺磁隧道结的阻值波动可转化为对应的数字输出电压随机变化，且该输出电压能够依靠输入电压实现调控。上述研究证实了基于超顺磁隧道结、可兼容 CMOS 工艺的概率集成电路具备可行性，是面向商用概率计算硬件规模化落地的重要里程碑。

该成果打破现有手工搭建原型机的局限，为自旋电子概率计算机规模化集成奠定基础。科研人员表示，后续持续优化器件与电路工艺、提升单片集成 p-bit 数量，有望推动自旋电子概率计算机走向大型商用落地。