Una nueva dimensión para los circuitos integrados: la lógica nanomagnética tridimensional

Ingenieros eléctricos de la Universidad Técnica de Múnich (TUM) han demostrado un nuevo tipo de bloque de construcción para circuitos integrados digitales. Sus experimentos muestran que los futuros chips de computadora podrían basarse en disposiciones tridimensionales de imanes a escala nanométrica en lugar de transistores. A medida que la principal tecnología habilitadora de la industria de los semiconductores (la fabricación CMOS de chips de silicio) se acerca a límites fundamentales, los investigadores y colaboradores de TUM en la Universidad de Notre Dame están explorando la “computación magnética” como una alternativa.

Informan sus últimos resultados en la revista Nanotecnología.

En una pila 3D de nanoimanes, los investigadores han implementado la llamada puerta lógica mayoritaria, que podría servir como interruptor programable en un circuito digital. Explican el principio subyacente con una ilustración sencilla: piense en la forma en que se comportan las barras magnéticas ordinarias cuando las acerca una a otra, con los polos opuestos atrayéndose y los polos iguales repeliéndose entre sí. Ahora imagine que junta varias barras magnéticas y las mantiene todas menos una en una posición fija. Se puede pensar que sus campos magnéticos están acoplados en uno, y la polaridad “norte-sur” del imán que puede girar estará determinada por la orientación de la mayoría de los imanes fijos.

Las puertas hechas de nanoimanes acoplados a campos funcionan de manera análoga, representando la inversión de polaridad un cambio entre estados lógicos booleanos, los dígitos binarios 1 y 0. En la puerta mayoritaria 3D reportada por el equipo de TUM-Notre Dame, el estado de El dispositivo está determinado por tres imanes de entrada, uno de los cuales se encuentra a 60 nanómetros por debajo de los otros dos, y se lee mediante un único imán de salida.

Lo último en una línea de avances

Este trabajo se basa en las capacidades que los colaboradores han desarrollado a lo largo de varios años, que van desde sofisticadas simulaciones del comportamiento magnético hasta innovadoras técnicas de fabricación y medición. Tampoco representa un punto final sino un hito en una serie de avances.

Por ejemplo, informaron sobre la primera “puerta de pared de dominio” del mundo en la Reunión Internacional de Dispositivos Electrónicos del año pasado. Los científicos utilizan la irradiación focalizada de haces de iones para cambiar las propiedades magnéticas de puntos claramente definidos en el dispositivo. Las llamadas paredes de dominio generadas allí pueden fluir a través de cables magnéticos bajo el control de los nanoimanes circundantes. Este dispositivo 2D, explica el candidato doctoral de la TUM, Stephan Breitkreutz, “permite el enrutamiento, el almacenamiento en búfer y la sincronización de señales en circuitos magnéticos, de manera similar a los pestillos en los circuitos eléctricos. circuitos integrados.”

Una bifurcación en la hoja de ruta de la industria

Todos los actores del negocio de los semiconductores se benefician de un esfuerzo cooperativo de toda la industria: desarrollar “hojas de ruta” de largo alcance que tracen caminos potenciales hacia objetivos tecnológicos comunes. En el número más reciente de la Hoja de Ruta Tecnológica Internacional para Semiconductores, se da seria consideración a la lógica nanomagnética entre un zoológico diverso de “dispositivos de investigación emergentes”. Los circuitos magnéticos no son volátiles, lo que significa que no necesitan energía para recordar en qué estado se encuentran. El consumo de energía extremadamente bajo es una de sus características más prometedoras. También pueden funcionar a temperatura ambiente y resistir la radiación.

La posibilidad de incluir más puertas en un chip es especialmente importante. La lógica nanomagnética puede permitir un empaquetamiento muy denso, por varias razones. Los componentes más básicos, los nanoimanes individuales, son comparables en tamaño a los transistores individuales. Además, mientras que los transistores requieren contactos y cableado, los nanoimanes funcionan únicamente con campos de acoplamiento. Además, al construir CMOS y dispositivos nanomagnéticos que tienen la misma función (por ejemplo, el llamado sumador completo), se pueden necesitar menos imanes que transistores para realizar el trabajo.

Finalmente, el potencial para salir del espacio del diseño 2D con pilas de dispositivos 3D hace que la lógica nanomagnética sea competitiva. La candidata a doctorado de TUM, Irina Eichwald, autora principal del Nanotecnología El artículo explica: "La puerta mayoritaria 3D demuestra que la computación magnética se puede explotar en las tres dimensiones para realizar circuitos magnéticos monolíticos apilados secuencialmente que prometen una mejor escalabilidad y una mayor densidad de empaquetado".

"Competir con los circuitos CMOS de silicio supone un gran desafío", añade el Dr. Markus Becherer, líder del grupo de investigación TUM del Instituto de Electrónica Técnica. "Sin embargo, puede haber aplicaciones en las que el funcionamiento no volátil, de potencia ultrabaja y la alta densidad de integración que ofrecen los circuitos nanomagnéticos 3D les den una ventaja".