มิติใหม่แห่งวงจรรวม: ลอจิกนาโนแมกเนติก 3 มิติ

วิศวกรไฟฟ้าที่มหาวิทยาลัยเทคนิคมิวนิก (TUM) ได้สาธิตโครงสร้างรูปแบบใหม่สำหรับวงจรรวมดิจิทัล การทดลองของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าชิปคอมพิวเตอร์ในอนาคตอาจอาศัยการจัดเรียงสามมิติของแม่เหล็กขนาดนาโนเมตรแทนทรานซิสเตอร์ เนื่องจากเทคโนโลยีการเปิดใช้งานหลักของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ - การผลิต CMOS ของชิปซิลิคอน - เข้าใกล้ขีดจำกัดพื้นฐาน นักวิจัยของ TUM และผู้ร่วมงานจากมหาวิทยาลัย Notre Dame กำลังสำรวจ "การประมวลผลแบบแม่เหล็ก" เป็นทางเลือก

พวกเขารายงานผลลัพธ์ล่าสุดในวารสาร นาโนเทคโนโลยี.

ในสแต็คนาโนแมกเนติกสามมิติ นักวิจัยได้ใช้สิ่งที่เรียกว่าประตูลอจิกส่วนใหญ่ ซึ่งสามารถใช้เป็นสวิตช์ที่ตั้งโปรแกรมได้ในวงจรดิจิทัล พวกเขาอธิบายหลักการพื้นฐานด้วยภาพประกอบง่ายๆ: ลองนึกถึงวิธีที่แท่งแม่เหล็กธรรมดาทำงานเมื่อคุณนำมันเข้ามาใกล้กัน โดยที่ขั้วตรงข้ามจะดึงดูดและเหมือนขั้วที่ผลักกัน ทีนี้ลองนึกภาพการนำแท่งแม่เหล็กหลายแท่งมารวมกันและจับทั้งหมดให้อยู่ในตำแหน่งคงที่ สนามแม่เหล็กของพวกมันสามารถคิดได้ว่าเชื่อมต่อกันเป็นหนึ่งเดียว และขั้ว "เหนือ - ใต้" ของแม่เหล็กที่สามารถพลิกกลับได้อย่างอิสระจะถูกกำหนดโดยการวางแนวของแม่เหล็กคงที่ส่วนใหญ่

ประตูที่ทำจากนาโนแมกเนติกคู่สนามทำงานในลักษณะคล้ายคลึงกัน ด้วยการกลับขั้วซึ่งแสดงถึงการสลับระหว่างสถานะลอจิกแบบบูลีน เลขฐานสอง 1 และ 0 ในประตูส่วนใหญ่แบบ 3 มิติที่รายงานโดยทีมงาน TUM-Notre Dame สถานะของ อุปกรณ์ถูกกำหนดโดยแม่เหล็กอินพุตสามอัน หนึ่งในนั้นอยู่ต่ำกว่าอีกสองอัน 60 นาโนเมตร และอ่านออกเสียงด้วยแม่เหล็กเอาต์พุตตัวเดียว

ความก้าวหน้าล่าสุด

งานนี้ต่อยอดจากความสามารถที่ผู้ทำงานร่วมกันได้พัฒนามาตลอดหลายปีที่ผ่านมา ตั้งแต่การจำลองที่ซับซ้อนของพฤติกรรมแม่เหล็กไปจนถึงการประดิษฐ์และเทคนิคการวัดที่เป็นนวัตกรรมใหม่ นอกจากนี้ยังไม่ใช่จุดสิ้นสุด แต่เป็นเหตุการณ์สำคัญในความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่อง

ตัวอย่างเช่น พวกเขารายงาน "Domain Wall Gate" แห่งแรกของโลกในการประชุม International Electron Devices Meeting เมื่อปีที่แล้ว นักวิทยาศาสตร์ใช้การฉายรังสีลำแสงไอออนแบบมุ่งเน้นเพื่อเปลี่ยนคุณสมบัติทางแม่เหล็กของจุดที่กำหนดไว้อย่างคมชัดบนอุปกรณ์ ผนังโดเมนที่สร้างขึ้นที่นั่นสามารถไหลผ่านสายแม่เหล็กได้ภายใต้การควบคุมของนาโนแม่เหล็กที่อยู่รอบๆ อุปกรณ์ 2D นี้ Stephan Breitkreutz ผู้สมัครระดับปริญญาเอกของ TUM อธิบายว่า "เปิดใช้งานการกำหนดเส้นทางสัญญาณ การบัฟเฟอร์ และการซิงโครไนซ์ในวงจรแม่เหล็ก คล้ายกับสลักในระบบไฟฟ้า วงจรรวม.”

ทางแยกในแผนงานอุตสาหกรรม

ผู้เล่นทุกคนในธุรกิจเซมิคอนดักเตอร์ได้รับประโยชน์จากความร่วมมือทั่วทั้งอุตสาหกรรม: การพัฒนา "แผนงาน" ระยะยาวซึ่งกำหนดเส้นทางที่เป็นไปได้สู่เป้าหมายทางเทคโนโลยีร่วมกัน ในฉบับล่าสุดของแผนงานเทคโนโลยีระหว่างประเทศสำหรับเซมิคอนดักเตอร์ ตรรกะนาโนแมกเนติกได้รับการพิจารณาอย่างจริงจังในหมู่สวนสัตว์ที่หลากหลายของ "อุปกรณ์การวิจัยที่เกิดขึ้นใหม่" วงจรแม่เหล็กไม่ระเหย หมายความว่าวงจรไม่จำเป็นต้องมีพลังงานในการจดจำว่าวงจรอยู่ในสถานะใด การใช้พลังงานที่ต่ำมากถือเป็นหนึ่งในคุณลักษณะที่น่าหวังมากที่สุด นอกจากนี้ยังสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิห้องและต้านทานรังสีได้อีกด้วย

ศักยภาพในการบรรจุเกตลงบนชิปได้มากขึ้นถือเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง ลอจิกนาโนแมกเนติกสามารถทำให้เกิดการอัดแน่นได้หนาแน่นมาก ด้วยเหตุผลหลายประการ โครงสร้างพื้นฐานที่สุด ได้แก่ แม่เหล็กนาโนแต่ละตัว มีขนาดเทียบเคียงได้กับทรานซิสเตอร์แต่ละตัว นอกจากนี้ ในกรณีที่ทรานซิสเตอร์จำเป็นต้องมีหน้าสัมผัสและสายไฟ แม่เหล็กนาโนจะทำงานเฉพาะกับสนามคัปปลิ้งเท่านั้น นอกจากนี้ ในการสร้าง CMOS และอุปกรณ์นาโนแม่เหล็กที่มีฟังก์ชันเดียวกัน เช่น สิ่งที่เรียกว่าฟูลแอดเดอร์ อาจใช้แม่เหล็กน้อยกว่าทรานซิสเตอร์ในการทำงานให้สำเร็จ

ในที่สุด ศักยภาพที่จะแยกออกจากพื้นที่การออกแบบ 2D ด้วยสแต็กของอุปกรณ์ 3D ทำให้ตรรกะนาโนแมกเนติกสามารถแข่งขันได้ ผู้สมัครระดับปริญญาเอกของ TUM Irina Eichwald ผู้เขียนหลักของ นาโนเทคโนโลยี กระดาษ อธิบายว่า "ประตูส่วนใหญ่แบบ 3 มิติแสดงให้เห็นว่าการคำนวณแบบแม่เหล็กสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ในทั้งสามมิติ เพื่อที่จะตระหนักถึงวงจรแม่เหล็กแบบเสาหินที่ซ้อนกันตามลำดับ ซึ่งมีแนวโน้มว่าจะขยายขีดความสามารถได้ดีขึ้นและความหนาแน่นของการบรรจุที่ดีขึ้น"

“การแข่งขันกับวงจรซิลิคอน CMOS ถือเป็นความท้าทายครั้งใหญ่” ดร. มาร์คัส เบเชอร์เรอร์ ผู้นำกลุ่มวิจัย TUM ภายในสถาบันเทคนิคอิเล็กทรอนิกส์กล่าวเสริม "อย่างไรก็ตาม อาจมีแอพพลิเคชันที่การทำงานแบบไม่ลบเลือน ใช้พลังงานต่ำเป็นพิเศษ และความหนาแน่นในการผสานรวมสูงที่นำเสนอโดยวงจรนาโนแมกเนติก 3 มิติ ทำให้พวกเขาได้เปรียบ"