计算机体系结构面临的一大挑战是将存储、内存和运算处理集成在一个单元中。这将使计算机更快、更节能。荷兰的格罗宁根大学（University of Groningen）的物理学家通过将铌掺杂的钛酸锶（SrTiO3）半导体与铁磁性钴结合，在结合的界面上构成了具有存储能力的自旋忆阻器，为神经形态计算架构铺平了道路。改成果朝着计算机架构大一统的目标迈出了一大步，结果于1月22日发表在“科学报告”上。
该校物理学家开发的器件将半导体的忆阻效应与隧穿各向异性磁阻（TAMR）的自旋现象相结合，并在室温下工作。
当与钴接触时，SrTiO3半导体具有非易失性可变电阻：可以使用电场将其从低电阻改变为高电阻，而且过程可逆。这被称为电阻效应。
此外，当在相同界面上施加磁场时，在钴平面内外，TAMR自旋电压的可调性为1.2mV。在其他材料系统中没有证实过同时同一器件上实现TAMR值和半导体材料电阻大范围变化。
左上图：在含有铁磁性钴的钛酸锶掺杂钛酸锶（SrTiO3）半导体中的TAMR和电阻
右上图：当磁化方向相对于电流方向旋转时，由于结隧道电导的变化，在室温下获得大的TAMR值
左下/右下图：使用相同几何形状的器件来研究相同结（右下）的电阻状态
功能材料自旋电子学教授Tamalika Banerjee解释道：“这意味着我们可以在忆阻器中以非易失性的方式储存更多的信息，从而创造出一个非常简单的集成式自旋忆阻器器件，且可以在室温下工作。”
到目前为止，人们总是尝试通过复杂的体系结构实现基于自旋的存储、闪存和计算体系。
Banerjee团队研究器件成功的关键是钴和半导体之间的界面。 Banerjee说：“我们已经证明，一层厚度为1纳米的氧化铝绝缘层能够阻碍TAMR效应的生成。我们花了相当多的工作来设计界面，通过调整半导体的铌掺杂，从而调整了界面上的TAMR效应。”
用硅作为半导体是无法同时TAMR值和半导体材料电阻大范围变化：“在室温下，需要SrTiO3中的重原子作为负责大TAMR效应的界面上的自旋轨道耦合。”
这些器件可以用在类脑计算机体系结构中，器件会像连接神经元的突触一样发生响应外部刺激，但是这个响应也取决于突触对以前刺激的记忆。
“我们现在正在考虑如何基于我们的发现来创建一个受生物启发的计算机体系结构。这样一个系统将不在依从古典的冯诺依曼架构。它的一大优点是使用更少的能源，从而产生更少的热量。因为连接不同的设备和网络会产生不可持续的热量，所以这对于“物联网”应用很有益。”
在钴和锶半导体的界面究竟所发生的物理学是复杂的，需要做更多的工作来研究，进而提高系统的性能。
该研究团队也在考虑用这种自旋忆阻器来构建一个更复杂的系统，以测试人脑具体认知能力的实际算法。下一步将研究如何将这些器件集成到一个模拟大脑工作的并行计算架构中，最终很可能会研究出大脑启发式计算的新架构。
Alexander M. Kamerbeek, Roald Ruiter and Tamalika Banerjee: Large room-temperature tunneling anisotropic magnetoresistance and electroresistance in single ferromagnet/Nb:SrTiO3 Schottky devices. Scientific Reports 22 January 2018
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