Onderzoekers van Intel Corp. en de Universiteit van Californië, Berkeley, kijken verder dan de huidige transistortechnologie en bereiden de weg voor voor een nieuw type geheugen en logisch circuit dat ooit in elke computer op de planeet zou kunnen zitten.

In een paper die op 3 december online verschijnt voorafgaand aan publicatie in het tijdschrift Natuur , de onderzoekers stellen een manier voor om relatief nieuwe soorten materialen te draaien, multiferroics en topologische materialen, in logische en geheugenapparaten die 10 tot 100 keer energiezuiniger zullen zijn dan voorzienbare verbeteringen aan de huidige microprocessors, die zijn gebaseerd op CMOS (complementary metal-oxide-halfgeleider).

De magneto-elektrische spin-orbit- of MESO-apparaten zullen ook vijf keer meer logische bewerkingen in dezelfde ruimte stoppen dan CMOS, voortzetting van de trend naar meer berekeningen per oppervlakte-eenheid, een centraal principe van de wet van Moore.

De nieuwe apparaten zullen technologieën stimuleren die intense rekenkracht vereisen met een laag energieverbruik, in het bijzonder sterk geautomatiseerd, zelfrijdende auto's en drones, beide vereisen een steeds groter aantal computerbewerkingen per seconde.

"Naarmate CMOS volwassen wordt, we zullen in principe zeer krachtige technologische opties hebben die ons er doorheen helpen. In sommige opzichten, dit zou kunnen doorgaan met computerverbeteringen voor een andere hele generatie mensen, " zei hoofdauteur Sasikanth Manipatruni, die de hardware-ontwikkeling leidt voor het MESO-project bij Intel's Components Research-groep in Hillsboro, Oregon. MESO is uitgevonden door Intel-wetenschappers, en Manipatruni ontwierpen het eerste MESO-apparaat.

Transistor technologie, 70 jaar geleden uitgevonden, wordt tegenwoordig in alles gebruikt, van mobiele telefoons en apparaten tot auto's en supercomputers. Transistors schudden elektronen rond in een halfgeleider en slaan ze op als binaire bits 0 en 1.

In de nieuwe MESO-apparaten, de binaire bits zijn de op-en-neer magnetische spintoestanden in een multiferroïcum, een materiaal voor het eerst gemaakt in 2001 door Ramamoorthy Ramesh, een UC Berkeley hoogleraar materiaalkunde en techniek en natuurkunde en een senior auteur van het papier.

"De ontdekking was dat er materialen zijn waar je een spanning op kunt zetten en de magnetische volgorde van het multiferroïcum kunt veranderen, " zei Rames, die ook een faculteitswetenschapper is bij het Lawrence Berkeley National Laboratory. "Maar voor mij 'Wat zouden we doen met deze multiferroics?' was altijd een grote vraag. MESO overbrugt die kloof en biedt één pad om computers te laten evolueren"

In de Natuur papier, de onderzoekers melden dat ze de spanning die nodig is voor multiferroïsche magneto-elektrische schakelingen hebben verlaagd van 3 volt naar 500 millivolt, en voorspellen dat het mogelijk moet zijn om dit terug te brengen tot 100 millivolt:een vijfde tot een tiende van de CMOS-transistors die tegenwoordig worden gebruikt. Lagere spanning betekent lager energieverbruik:de totale energie om een ​​beetje van 1 naar 0 te schakelen zou een tiende tot een dertigste zijn van de energie die nodig is voor CMOS.

"Er moeten een aantal kritieke technieken worden ontwikkeld om deze nieuwe soorten computerapparatuur en -architecturen mogelijk te maken, " zei Manipatruni, die de functies van magneto-elektriciteit en spin-baanmaterialen combineerde om MESO voor te stellen. "We proberen een golf van innovatie in de industrie en de academische wereld op gang te brengen over hoe de volgende transistorachtige optie eruit zou moeten zien."

Internet of things en AI

Er is dringend behoefte aan energiezuinigere computers. Het ministerie van Energie projecten dat, met de verwachting dat de computerchipindustrie in de komende decennia zal groeien tot enkele biljoenen dollars, energieverbruik door computers zou omhoog kunnen schieten van 3 procent van alle Amerikaanse energieverbruik vandaag tot 20 procent, bijna net zoveel als de huidige transportsector. Zonder energiezuinigere transistoren, de integratie van computers in alles - het zogenaamde internet der dingen - zou worden belemmerd. En zonder nieuwe wetenschap en technologie, Ramesh zei, Amerika's voorsprong in het maken van computerchips zou kunnen worden overtroffen door fabrikanten van halfgeleiders in andere landen.

"Vanwege machinaal leren, kunstmatige intelligentie en IOT, het toekomstige huis, de toekomstige auto, de toekomstige productiecapaciteit zal er heel anders uitzien, " zei Rames, die tot voor kort associate director was voor Energy Technologies bij Berkeley Lab. "Als we bestaande technologieën gebruiken en geen ontdekkingen meer doen, het energieverbruik zal groot zijn. We hebben nieuwe op wetenschap gebaseerde doorbraken nodig."

Paper co-auteur Ian Young, een UC Berkeley Ph.D., begon acht jaar geleden een groep bij Intel, samen met Manipatruni en Dmitri Nikonov, alternatieven voor transistoren te onderzoeken, en vijf jaar geleden begonnen ze zich te concentreren op multiferroics en spin-orbit materialen, zogenaamde "topologische" materialen met unieke kwantumeigenschappen.

"Onze analyse bracht ons bij dit soort materiaal, magneto-elektriciteit, en alle wegen leidden naar Ramesj, ' zei Manipatruni.

Multiferroics en spinbaanmaterialen

Multiferroics zijn materialen waarvan de atomen meer dan één "collectieve toestand" vertonen. Bij ferromagneten, bijvoorbeeld, de magnetische momenten van alle ijzeratomen in het materiaal worden uitgelijnd om een ​​permanente magneet te genereren. In ferro-elektrische materialen, anderzijds, de positieve en negatieve ladingen van atomen worden gecompenseerd, het creëren van elektrische dipolen die door het materiaal zijn uitgelijnd en een permanent elektrisch moment creëren.

MESO is gebaseerd op een multiferroïsch materiaal bestaande uit bismut, ijzer en zuurstof (BiFeO3) dat zowel magnetisch als ferro-elektrisch is. Zijn belangrijkste voordeel, Ramesh zei, is dat deze twee toestanden - magnetisch en ferro-elektrisch - gekoppeld of gekoppeld zijn, zodat het veranderen van het ene effect heeft op het andere. Door het elektrische veld te manipuleren, je kunt de magnetische staat veranderen, wat cruciaal is voor MESO.

De belangrijkste doorbraak kwam met de snelle ontwikkeling van topologische materialen met spin-orbit-effect, waarmee de toestand van het multiferroïcum efficiënt kan worden uitgelezen. In MESO-apparaten, een elektrisch veld verandert of keert het dipool elektrische veld door het materiaal heen, die de elektronenspins die het magnetische veld genereren, verandert of omdraait. Dit vermogen komt van spin-baankoppeling, een kwantumeffect in materialen, die een stroom produceert die wordt bepaald door de spinrichting van het elektron.

In een ander artikel dat eerder deze maand verscheen in Science Advances, UC Berkeley en Intel hebben experimenteel spanningsgestuurd magnetisch schakelen gedemonstreerd met behulp van het magneto-elektrische materiaal bismut-ijzer-oxide (BiFeO3), een belangrijke vereiste voor MESO.

"We zijn op zoek naar revolutionaire en niet evolutionaire benaderingen voor computergebruik in het voorbij-CMOS-tijdperk, Young zei. "MESO is gebouwd rond laagspanningsverbindingen en laagspannings-magneto-elektriciteit, en brengt innovatie in kwantummaterialen naar computers."