Nye kvantematerialer kan tage computerenheder ud over halvlederens æra

Forskere fra Intel Corp. og University of California, Berkeley, ser ud over den nuværende transistorteknologi og forbereder vejen for en ny type hukommelse og logisk kredsløb, der engang kunne være i hver computer på planeten.

I et papir, der blev vist online 3. december før offentliggørelse i tidsskriftet Natur , forskerne foreslår en måde at vende relativt nye materialetyper på, multiferroics og topologiske materialer, til logik og hukommelsesenheder, der vil være 10 til 100 gange mere energieffektive end forudseelige forbedringer af nuværende mikroprocessorer, som er baseret på CMOS (komplementær metaloxid-halvleder).

Den magneto-elektriske spin-orbit eller MESO-enheder vil også pakke fem gange flere logiske operationer i det samme rum end CMOS, fortsætter tendensen mod flere beregninger pr. arealenhed, en central grundsæt i Moores lov.

De nye enheder vil øge teknologier, der kræver intens computerkraft med lavt energiforbrug, specifikt stærkt automatiseret, selvkørende biler og droner, som begge kræver et stadigt stigende antal computeroperationer i sekundet.

"Efterhånden som CMOS udvikler sig til sin modenhed, vi vil dybest set have meget kraftfulde teknologiske muligheder, der gennemskuer os. På nogle måder, dette kunne fortsætte med at beregne forbedringer for en anden hel generation af mennesker, "sagde hovedforfatter Sasikanth Manipatruni, der leder hardwareudvikling til MESO -projektet i Intels Components Research -gruppe i Hillsboro, Oregon. MESO blev opfundet af Intel -forskere, og Manipatruni designede den første MESO -enhed.

Transistor teknologi, opfundet for 70 år siden, bruges i dag i alt fra mobiltelefoner og apparater til biler og supercomputere. Transistorer blander elektroner rundt inde i en halvleder og gemmer dem som binære bits 0 og 1.

I de nye MESO -enheder, de binære bits er de op-og-ned magnetiske spin-tilstande i en multiferroic, et materiale, der først blev skabt i 2001 af Ramamoorthy Ramesh, en UC Berkeley professor i materialevidenskab og teknik og fysik og en højtstående forfatter af papiret.

"Opdagelsen var, at der er materialer, hvor du kan anvende en spænding og ændre den magnetiske rækkefølge af multiferroic, sagde Ramesh, som også er fakultetsforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory. "Men for mig, 'Hvad ville vi gøre med disse multiferroics?' var altid et stort spørgsmål. MESO bygger bro over dette hul og giver en vej til computingudvikling "

I Natur papir, forskerne rapporterer, at de har reduceret den spænding, der er nødvendig for multiferroisk magneto-elektrisk omskiftning fra 3 volt til 500 millivolt, og forudsige, at det burde være muligt at reducere dette til 100 millivolt:en femtedel til en tiendedel, der kræves af CMOS-transistorer i brug i dag. Lavere spænding betyder lavere energiforbrug:den samlede energi til at skifte lidt fra 1 til 0 ville være en tiendedel til en tredredsedel af den energi, der kræves af CMOS.

"Der skal udvikles en række kritiske teknikker for at tillade disse nye typer computerenheder og arkitekturer, "sagde Manipatruni, som kombinerede magneto-elektriske og spin-kredsløbsmaterialers funktioner til at foreslå MESO. "Vi forsøger at udløse en bølge af innovation i industrien og den akademiske verden om, hvordan den næste transistorlignende mulighed skal se ud."

Tingenes internet og AI

Behovet for mere energieffektive computere er presserende. Energiministeriet projekterer, at med computerchipindustrien forventet at ekspandere til flere billioner dollars i de næste par årtier, energiforbrug fra computere kan skyrocket fra 3 procent af alt amerikansk energiforbrug i dag til 20 procent, næsten lige så meget som nutidens transportsektor. Uden mere energieffektive transistorer, inkorporering af computere i alt-det såkaldte tingenes internet-ville blive hæmmet. Og uden ny videnskab og teknologi, Ramesh sagde, Amerikas førende inden for fremstilling af computerchips kan blive opskåret af halvlederproducenter i andre lande.

"På grund af maskinlæring, kunstig intelligens og IOT, det fremtidige hjem, den fremtidige bil, den fremtidige produktionskapacitet kommer til at se meget anderledes ud, sagde Ramesh, der indtil for nylig var associeret direktør for Energy Technologies hos Berkeley Lab. "Hvis vi bruger eksisterende teknologier og ikke gør flere opdagelser, energiforbruget bliver stort. Vi har brug for nye videnskabsbaserede gennembrud. "

Papirmedforfatter Ian Young, en UC Berkeley Ph.D., startede en gruppe hos Intel for otte år siden, sammen med Manipatruni og Dmitri Nikonov, at undersøge alternativer til transistorer, og for fem år siden begyndte de at fokusere på multiferroics og spin-bane materialer, såkaldte "topologiske" materialer med unikke kvanteegenskaber.

"Vores analyse bragte os til denne type materiale, magneto-elektrisk, og alle veje førte til Ramesh, "sagde Manipatruni.

Multiferroics og spin-bane materialer

Multiferroics er materialer, hvis atomer udviser mere end én "kollektiv tilstand". I ferromagneter, for eksempel, de magnetiske øjeblikke for alle jernatomerne i materialet er justeret for at generere en permanent magnet. I ferroelektriske materialer, på den anden side, de positive og negative ladninger af atomer opvejes, skabe elektriske dipoler, der flugter i hele materialet og skaber et permanent elektrisk øjeblik.

MESO er baseret på et multiferroisk materiale bestående af vismut, jern og ilt (BiFeO3), der er både magnetisk og ferroelektrisk. Dens vigtigste fordel, Ramesh sagde, er, at disse to tilstande - magnetiske og ferroelektriske - er forbundet eller koblet, så at ændre det ene påvirker det andet. Ved at manipulere det elektriske felt, du kan ændre den magnetiske tilstand, hvilket er afgørende for MESO.

Det centrale gennembrud kom med den hurtige udvikling af topologiske materialer med spin-baneeffekt, som gør det muligt at aflæse multiferroikens tilstand effektivt. I MESO -enheder, et elektrisk felt ændrer eller vender dipolens elektriske felt gennem materialet, som ændrer eller vender de elektron -spins, der genererer magnetfeltet. Denne evne kommer fra spin-orbit-kobling, en kvanteeffekt i materialer, som producerer en strøm bestemt af elektron -spin -retning.

I et andet papir, der dukkede op tidligere på måneden i Science Advances, UC Berkeley og Intel demonstrerede eksperimentelt spændingsstyret magnetisk omskiftning ved hjælp af det magneto-elektriske materiale bismut-jernoxid (BiFeO3), et centralt krav for MESO.

"Vi leder efter revolutionære og ikke evolutionære metoder til databehandling i tiden uden for CMOS, "Young sagde." MESO er bygget op omkring lavspændingsforbindelser og lavspændings magneto-elektricitet, og bringer innovation inden for kvantematerialer til computing. "