Stephan Breitkreutz och teamet använder detta egenbyggda mätinstrument för att undersöka växlingsbeteendet hos nanomagnetiska enheter. Kredit:U. Benz/TUM
Elektroingenjörer vid Technical University München (TUM) har demonstrerat en ny typ av byggstenar för digitala integrerade kretsar. Deras experiment visar att framtida datorchips kan baseras på tredimensionella arrangemang av magneter i nanometerskala istället för transistorer. Eftersom halvledarindustrins huvudsakliga möjliggörande teknologi – CMOS-tillverkning av kiselchips – närmar sig grundläggande gränser, TUM-forskarna och samarbetspartnerna vid University of Notre Dame undersöker "magnetisk datoranvändning" som ett alternativ.
De rapporterar sina senaste resultat i tidskriften Nanoteknik .
I en 3D-stack av nanomagneter, forskarna har implementerat en så kallad majoritetslogikport, som skulle kunna fungera som en programmerbar omkopplare i en digital krets. De förklarar den bakomliggande principen med en enkel illustration:Tänk på hur vanliga stångmagneter beter sig när du tar dem nära varandra, med motsatta poler attraherande och liknande poler som stöter bort varandra. Föreställ dig nu att sammanföra flera stångmagneter och hålla alla utom en i ett fast läge. Deras magnetfält kan ses som kopplade till ett, och "nord-syd"-polariteten för magneten som är fri att vända kommer att bestämmas av orienteringen av majoriteten av fasta magneter.
Grindar gjorda av fältkopplade nanomagneter fungerar på ett analogt sätt, med omkastningen av polariteten representerar en växling mellan booleska logiska tillstånd, de binära siffrorna 1 och 0. I 3D-majoritetsporten som rapporterats av TUM-Notre Dame-teamet, enhetens tillstånd bestäms av tre ingångsmagneter, varav en ligger 60 nanometer under de andra två, och läses av en enda utgångsmagnet.
Det senaste i raden av framsteg
Detta arbete bygger på förmågor som samarbetspartnerna har utvecklat under flera år, allt från sofistikerade simuleringar av magnetiskt beteende till innovativa tillverknings- och mättekniker. Det representerar inte heller en slutpunkt utan en milstolpe i en rad framsteg.
Denna bild visar svepelektronmikrofotografier av en 3-D majoritetslogikgrind som visar skalan på beräkningsområdet, med dimensioner mindre än 200 nanometer, och, i tvärsnitt, den nedre positionen för den tredje ingångsmagneten. Kredit:I. Eichwald/TUM
Till exempel, de rapporterade om världens första "domänväggport" vid förra årets International Electron Devices Meeting. Forskarna använder fokuserad jonstrålning för att ändra de magnetiska egenskaperna hos skarpt definierade fläckar på enheten. Så kallade domänväggar som genereras där kan strömma genom magnetiska ledningar under kontroll av omgivande nanomagneter. Denna 2D-enhet, TUM doktorand Stephan Breitkreutz förklarar, "aktiverar signaldirigering, buffring, och synkronisering i magnetiska kretsar, liknande spärrar i elektriska integrerade kretsar."
En gaffel i branschens färdplan
Alla aktörer inom halvledarbranschen drar nytta av en branschgemensam samarbetsansträngning:att utveckla "vägkartor" på lång räckvidd som kartlägger potentiella vägar till gemensamma tekniska mål. I det senaste numret av International Technology Roadmap for Semiconductors, nanomagnetisk logik övervägs allvarligt bland en mångsidig djurpark av "framväxande forskningsanordningar." Magnetiska kretsar är icke-flyktiga, vilket innebär att de inte behöver ström för att komma ihåg vilket tillstånd de är i. Extremt låg energiförbrukning är en av deras mest lovande egenskaper. De kan också fungera vid rumstemperatur och motstå strålning.
Möjligheten att packa fler grindar på ett chip är särskilt viktig. Nanomagnetisk logik kan tillåta mycket tät packning, av olika anledningar. De mest grundläggande byggstenarna, de enskilda nanomagneterna, är jämförbara i storlek med enskilda transistorer. Vidare, där transistorer kräver kontakter och ledningar, nanomagneter arbetar enbart med kopplingsfält. Också, att bygga CMOS och nanomagnetiska enheter som har samma funktion – t.ex. en så kallad fulladderare – det kan ta färre magneter än transistorer för att få jobbet gjort.
Till sist, potentialen att bryta sig ut ur 2D-designutrymmet med högar av 3D-enheter gör nanomagnetisk logik konkurrenskraftig. TUM doktorand Irina Eichwald, huvudförfattare till Nanoteknik papper, förklarar:"3D-majoritetsporten visar att magnetisk beräkning kan utnyttjas i alla tre dimensioner, för att förverkliga monolitisk, sekventiellt staplade magnetiska kretsar som lovar bättre skalbarhet och förbättrad packningsdensitet."
"Det är en stor utmaning att konkurrera med kisel CMOS-kretsar, " tillägger Dr. Markus Becherer, ledare för forskargruppen TUM inom Institutet för teknisk elektronik. "Dock, det kan finnas applikationer där de icke-flyktiga, ultralåg effekt och hög integrationstäthet som erbjuds av 3D nanomagnetiska kretsar ger dem en fördel."
