En ny dimension for integrerede kredsløb:3-D nanomagnetisk logik

Elektriske ingeniører ved det tekniske universitet i München (TUM) har demonstreret en ny slags byggesten til digitale integrerede kredsløb. Deres eksperimenter viser, at fremtidige computerchips kunne være baseret på tredimensionelle arrangementer af magneter i nanometerskala i stedet for transistorer. Da halvlederindustriens vigtigste muliggørende teknologi – CMOS-fremstilling af siliciumchips – nærmer sig fundamentale grænser, TUM-forskerne og samarbejdspartnerne ved University of Notre Dame udforsker "magnetic computing" som et alternativ.

De rapporterer deres seneste resultater i journalen Nanoteknologi .

I en 3D-stak af nanomagneter, forskerne har implementeret en såkaldt majoritetslogikport, som kunne fungere som en programmerbar switch i et digitalt kredsløb. De forklarer det underliggende princip med en simpel illustration:Tænk på den måde, almindelige stangmagneter opfører sig på, når du bringer dem tæt på hinanden, med modsatte poler, der tiltrækker og lignende poler, der frastøder hinanden. Forestil dig nu at bringe flere stangmagneter sammen og holde alle undtagen én i en fast position. Deres magnetiske felter kan opfattes som værende koblet til ét, og "nord-syd"-polariteten af ​​magneten, der er fri til at vende, vil blive bestemt af orienteringen af ​​størstedelen af ​​faste magneter.

Porte lavet af feltkoblede nanomagneter fungerer på en analog måde, med omvendt polaritet, der repræsenterer et skift mellem boolske logiske tilstande, de binære cifre 1 og 0. I 3D majoritetsporten rapporteret af TUM-Notre Dame-teamet, enhedens tilstand bestemmes af tre inputmagneter, hvoraf den ene sidder 60 nanometer under de to andre, og aflæses af en enkelt udgangsmagnet.

Det seneste i rækken af ​​fremskridt

Dette arbejde bygger på kapaciteter, som samarbejdspartnerne har udviklet gennem flere år, lige fra sofistikerede simuleringer af magnetisk adfærd til innovative fremstillings- og måleteknikker. Det repræsenterer heller ikke et slutpunkt, men en milepæl i en række fremskridt.

For eksempel, de rapporterede om verdens første "domain wall gate" ved sidste års International Electron Devices Meeting. Forskerne bruger fokuseret ionstrålebestråling til at ændre de magnetiske egenskaber af skarpt definerede pletter på enheden. Såkaldte domænevægge genereret der er i stand til at strømme gennem magnetiske ledninger under kontrol af omgivende nanomagneter. Denne 2D-enhed, TUM ph.d.-kandidat Stephan Breitkreutz forklarer, "aktiverer signal routing, buffering, og synkronisering i magnetiske kredsløb, svarende til låse i elektriske integrerede kredsløb."

En gaffel i industriens køreplan

Alle aktører i halvlederbranchen drager fordel af én branchedækkende samarbejdsindsats:udvikling af langsigtede "roadmaps", der kortlægger potentielle veje til fælles teknologiske mål. I det seneste nummer af International Technology Roadmap for Semiconductors, nanomagnetisk logik tages alvorligt i betragtning blandt en mangfoldig zoologisk have af "nye forskningsenheder." Magnetiske kredsløb er ikke-flygtige, hvilket betyder, at de ikke behøver strøm til at huske, hvilken tilstand de er i. Ekstremt lavt energiforbrug er en af ​​deres mest lovende egenskaber. De kan også fungere ved stuetemperatur og modstå stråling.

Potentialet for at pakke flere porte på en chip er særligt vigtigt. Nanomagnetisk logik kan tillade meget tæt pakning, af flere årsager. De mest basale byggesten, de enkelte nanomagneter, er sammenlignelige i størrelse med individuelle transistorer. Desuden, hvor transistorer kræver kontakter og ledninger, nanomagneter opererer udelukkende med koblingsfelter. Også, i at bygge CMOS og nanomagnetiske enheder, der har samme funktion – f.eks. en såkaldt fuldadder – det kan tage færre magneter end transistorer for at få arbejdet gjort.

Endelig, potentialet til at bryde ud af 2D-designrummet med stakke af 3D-enheder gør nanomagnetisk logik konkurrencedygtig. TUM ph.d.-kandidat Irina Eichwald, hovedforfatter af Nanoteknologi papir, forklarer:"3D-majoritetsporten demonstrerer, at magnetisk databehandling kan udnyttes i alle tre dimensioner, for at realisere monolitisk, sekventielt stablede magnetiske kredsløb, der lover bedre skalerbarhed og forbedret pakningstæthed."

"Det er en stor udfordring at konkurrere med silicium CMOS-kredsløb, " tilføjer Dr. Markus Becherer, leder af TUM-forskningsgruppen inden for Institut for Teknisk Elektronik. "Imidlertid, der kan være applikationer, hvor de ikke-flygtige, ultralavt strømforbrug og høj integrationstæthed, der tilbydes af 3D nanomagnetiske kredsløb, giver dem en fordel."