Новое измерение интегральных схем: трехмерная наномагнитная логика

Инженеры-электрики Мюнхенского технического университета (TUM) продемонстрировали новый тип строительного блока для цифровых интегральных схем. Их эксперименты показывают, что будущие компьютерные чипы могут быть основаны на трехмерной конструкции магнитов нанометрового размера вместо транзисторов. Поскольку основная технология полупроводниковой промышленности – производство кремниевых чипов КМОП – приближается к фундаментальным пределам, исследователи ТУМ и сотрудники Университета Нотр-Дам изучают «магнитные вычисления» в качестве альтернативы.

Они сообщают о своих последних результатах в журнале. Нанотехнологии.

В трехмерном наборе наномагнитов исследователи реализовали так называемый мажоритарный логический вентиль, который может служить программируемым переключателем в цифровой схеме. Они объясняют основной принцип простой иллюстрацией: подумайте о том, как ведут себя обычные стержневые магниты, когда вы подносите их друг к другу: противоположные полюса притягиваются, а подобные полюса отталкиваются. Теперь представьте, что вы собрали вместе несколько стержневых магнитов и удерживаете все, кроме одного, в фиксированном положении. Их магнитные поля можно рассматривать как связанные в одно, а полярность «север-юг» магнита, который может свободно вращаться, будет определяться ориентацией большинства неподвижных магнитов.

Ворота, изготовленные из наномагнитов, связанных с полем, работают аналогичным образом: изменение полярности представляет собой переключение между логическими состояниями, двоичными цифрами 1 и 0. В трехмерном мажоритарном вентиле, о котором сообщила команда TUM-Notre Dame, состояние Устройство определяется тремя входными магнитами, один из которых расположен на 60 нанометров ниже двух других и считывается одним выходным магнитом.

Последние достижения в линейке достижений

Эта работа опирается на возможности, которые сотрудники разработали за несколько лет, начиная от сложного моделирования магнитного поведения и заканчивая инновационными методами изготовления и измерения. Это также представляет собой не конечную точку, а веху в серии достижений.

Например, на прошлогодней Международной конференции по электронным устройствам они сообщили о первых в мире «воротах доменной стены». Ученые используют сфокусированное облучение ионным лучом, чтобы изменить магнитные свойства четко определенных пятен на устройстве. Образующиеся там так называемые доменные стенки способны течь по магнитным проводам под контролем окружающих наномагнитов. Это 2D-устройство, как объясняет докторант ТУМ Стефан Брайткройц, «обеспечивает маршрутизацию, буферизацию и синхронизацию сигналов в магнитных цепях, подобно защелкам в электрических цепях». интегральные схемы.”

Развилка дорожной карты отрасли

Все игроки полупроводникового бизнеса получают выгоду от одного совместного усилия всей отрасли: разработки долгосрочных «дорожных карт», которые намечают потенциальные пути к общим технологическим целям. В последнем выпуске «Международной технологической дорожной карты полупроводников» наномагнитной логике уделяется серьезное внимание среди разнообразного зоопарка «новых исследовательских устройств». Магнитные цепи энергонезависимы, то есть им не требуется питание, чтобы запомнить, в каком состоянии они находятся. Чрезвычайно низкое энергопотребление — одна из их наиболее многообещающих характеристик. Они также могут работать при комнатной температуре и противостоять радиации.

Возможность размещения большего количества вентилей на чипе особенно важна. Наномагнитная логика может обеспечить очень плотную упаковку по нескольким причинам. Самые основные строительные блоки, отдельные наномагниты, по размеру сравнимы с отдельными транзисторами. Более того, там, где транзисторам требуются контакты и проводка, наномагниты работают исключительно за счет полей связи. Кроме того, при создании КМОП- и наномагнитных устройств, выполняющих одну и ту же функцию – например, так называемого полного сумматора – для выполнения работы может потребоваться меньше магнитов, чем транзисторов.

Наконец, возможность выйти за пределы пространства 2D-проектирования с помощью стеков 3D-устройств делает наномагнитную логику конкурентоспособной. Докторант ТУМ Ирина Эйхвальд, ведущий автор Нанотехнологии В статье поясняется: «Трехмерный мажоритарный вентиль демонстрирует, что магнитные вычисления можно использовать во всех трех измерениях для реализации монолитных, последовательно расположенных магнитных цепей, обещающих лучшую масштабируемость и улучшенную плотность упаковки».

«Конкурировать с кремниевыми КМОП-схемами — серьезная задача», — добавляет доктор Маркус Бехерер, руководитель исследовательской группы TUM в Институте технической электроники. «Однако могут быть приложения, в которых энергонезависимая работа со сверхнизким энергопотреблением и высокая плотность интеграции, обеспечиваемая 3D-наномагнитными цепями, дают им преимущество».