Forskare från Intel Corp. och University of California, Berkeley, ser bortom nuvarande transistorteknik och förbereder vägen för en ny typ av minnes- och logikkrets som en dag kan finnas i alla datorer på planeten.

I en tidning som visas online 3 december före publicering i tidskriften Natur , forskarna föreslår ett sätt att vända relativt nya typer av material, multiferroiska och topologiska material, till logik- och minnesenheter som kommer att vara 10 till 100 gånger mer energieffektiva än förutsebara förbättringar av nuvarande mikroprocessorer, som är baserade på CMOS (komplementär metall-oxid-halvledare).

De magneto-elektriska spin-orbit- eller MESO-enheterna kommer också att packa fem gånger fler logiska operationer i samma utrymme än CMOS, fortsätter trenden mot fler beräkningar per ytenhet, en central grundsats i Moores lag.

De nya enheterna kommer att öka teknologier som kräver intensiv datorkraft med låg energianvändning, speciellt mycket automatiserad, självkörande bilar och drönare, båda kräver ett ständigt ökande antal datoroperationer per sekund.

"När CMOS utvecklas till sin mognad, vi kommer i grunden att ha mycket kraftfulla teknikalternativ som ser oss igenom. På vissa sätt, detta kan fortsätta datorförbättringar för ytterligare en hel generation människor, " sa huvudförfattaren Sasikanth Manipatruni, som leder hårdvaruutveckling för MESO-projektet vid Intels Components Research-grupp i Hillsboro, Oregon. MESO uppfanns av Intels forskare, och Manipatruni designade den första MESO-enheten.

Transistorteknik, uppfanns för 70 år sedan, används idag i allt från mobiltelefoner och apparater till bilar och superdatorer. Transistorer blandar elektroner runt inuti en halvledare och lagrar dem som binära bitar 0 och 1.

I de nya MESO-enheterna, de binära bitarna är de upp-och-ned magnetiska spinntillstånden i en multiferroisk, ett material som först skapades 2001 av Ramamoorthy Ramesh, en UC Berkeley professor i materialvetenskap och ingenjörskonst och i fysik och en senior författare av tidningen.

"Upptäckten var att det finns material där du kan lägga på en spänning och ändra den magnetiska ordningen för multiferroic, sa Ramesh, som också är en fakultetsforskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory. "Men för mig, "Vad skulle vi göra med dessa multiferroics?" var alltid en stor fråga. MESO överbryggar det gapet och ger en väg för datorer att utvecklas"

I Natur papper, forskarna rapporterar att de har minskat spänningen som behövs för multiferroisk magnetoelektrisk omkoppling från 3 volt till 500 millivolt, och förutspår att det borde vara möjligt att minska detta till 100 millivolt:en femtedel till en tiondel vad som krävs av CMOS-transistorer som används idag. Lägre spänning innebär lägre energianvändning:den totala energin för att byta en bit från 1 till 0 skulle vara en tiondel till en trettiondel av energin som krävs av CMOS.

"Ett antal kritiska tekniker måste utvecklas för att möjliggöra dessa nya typer av datorenheter och arkitekturer, sade Manipatruni, som kombinerade funktionerna hos magnetoelektrik och spinn-omloppsmaterial för att föreslå MESO. "Vi försöker utlösa en våg av innovation inom industri och akademi om hur nästa transistorliknande alternativ ska se ut."

Internet of things och AI

Behovet av mer energieffektiva datorer är akut. Department of Energy projekterar att, med datorchipsindustrin som förväntas expandera till flera biljoner dollar under de närmaste decennierna, datorers energianvändning kan skjuta i höjden från 3 procent av all energiförbrukning i USA idag till 20 procent, nästan lika mycket som dagens transportsektor. Utan mer energieffektiva transistorer, inkorporeringen av datorer i allt – det så kallade internet of things – skulle försvåras. Och utan ny vetenskap och teknik, Ramesh sa, Amerikas ledande ställning när det gäller att tillverka datorchips kan höjas av halvledartillverkare i andra länder.

"På grund av maskininlärning, artificiell intelligens och IOT, framtidens hem, framtidens bil, den framtida tillverkningskapaciteten kommer att se väldigt annorlunda ut, sa Ramesh, som tills nyligen var biträdande direktör för Energy Technologies på Berkeley Lab. "Om vi ​​använder befintlig teknik och inte gör fler upptäckter, energiförbrukningen kommer att bli stor. Vi behöver nya vetenskapsbaserade genombrott."

Paper medförfattare Ian Young, en UC Berkeley Ph.D., startade en grupp på Intel för åtta år sedan, tillsammans med Manipatruni och Dmitri Nikonov, att undersöka alternativ till transistorer, och för fem år sedan började de fokusera på multiferroics och spin-orbit material, så kallade "topologiska" material med unika kvantegenskaper.

"Vår analys förde oss till den här typen av material, magneto-elektrik, och alla vägar ledde till Ramesh, sa Manipatruni.

Multiferroics och spin-orbit material

Multiferroics är material vars atomer uppvisar mer än ett "kollektivt tillstånd". I ferromagneter, till exempel, de magnetiska momenten för alla järnatomer i materialet är inriktade för att generera en permanent magnet. I ferroelektriska material, å andra sidan, atomernas positiva och negativa laddningar är förskjutna, skapar elektriska dipoler som riktar in sig genom hela materialet och skapar ett permanent elektriskt moment.

MESO är baserat på ett multiferroiskt material bestående av vismut, järn och syre (BiFeO3) som är både magnetiskt och ferroelektriskt. Dess viktigaste fördel, Ramesh sa, är att dessa två tillstånd – magnetiska och ferroelektriska – är länkade eller kopplade, så att förändring av det ena påverkar det andra. Genom att manipulera det elektriska fältet, du kan ändra det magnetiska tillståndet, vilket är avgörande för MESO.

Nyckelgenombrottet kom med den snabba utvecklingen av topologiska material med spin-orbit effekt, som gör att multiferroicens tillstånd kan avläsas effektivt. I MESO-enheter, ett elektriskt fält ändrar eller vänder det elektriska dipolfältet genom hela materialet, som ändrar eller vänder elektronsnurren som genererar magnetfältet. Denna förmåga kommer från spin-omloppskoppling, en kvanteffekt i material, som producerar en ström som bestäms av elektronspinriktningen.

I en annan artikel som publicerades tidigare denna månad i Science Advances, UC Berkeley och Intel demonstrerade experimentellt spänningsstyrd magnetisk omkoppling med hjälp av det magnetoelektriska materialet vismut-järnoxid (BiFeO3), ett nyckelkrav för MESO.

"Vi letar efter revolutionära och inte evolutionära tillvägagångssätt för datoranvändning under CMOS-eran, " sa Young. "MESO är uppbyggt kring lågspänningsanslutningar och lågspänningsmagneto-elektrik, och ger innovation inom kvantmaterial till datorer."