Elektrotechnici van de Technische Universiteit München (TUM) hebben een nieuw soort bouwsteen voor digitale geïntegreerde schakelingen gedemonstreerd. Hun experimenten laten zien dat toekomstige computerchips gebaseerd kunnen zijn op driedimensionale opstellingen van magneten op nanometerschaal in plaats van transistors. Aangezien de belangrijkste ontsluitende technologie van de halfgeleiderindustrie – CMOS-fabricage van siliciumchips – fundamentele grenzen nadert, de TUM-onderzoekers en medewerkers van de Universiteit van Notre Dame onderzoeken "magnetic computing" als alternatief.

Ze rapporteren hun laatste resultaten in het tijdschrift Nanotechnologie .

In een 3D-stapel nanomagneten, de onderzoekers hebben een zogenaamde meerderheidslogica-poort geïmplementeerd, die zou kunnen dienen als een programmeerbare schakelaar in een digitaal circuit. Ze leggen het onderliggende principe uit met een eenvoudige illustratie:denk aan de manier waarop gewone staafmagneten zich gedragen als je ze bij elkaar brengt, met tegengestelde polen die elkaar aantrekken en gelijke polen die elkaar afstoten. Stel je nu voor dat je meerdere staafmagneten bij elkaar brengt en op één na allemaal in een vaste positie houdt. Hun magnetische velden kunnen worden gezien als gekoppeld aan één, en de "noord-zuid" polariteit van de magneet die vrij kan draaien, wordt bepaald door de oriëntatie van de meeste vaste magneten.

Poorten gemaakt van veldgekoppelde nanomagneten werken op een analoge manier, waarbij de omkering van de polariteit een omschakeling vertegenwoordigt tussen Booleaanse logische toestanden, de binaire cijfers 1 en 0. In de 3D-meerderheidspoort gerapporteerd door het TUM-Notre Dame-team, de toestand van het apparaat wordt bepaald door drie ingangsmagneten, waarvan er één 60 nanometer onder de andere twee zit, en wordt uitgelezen door een enkele uitgangsmagneet.

Het nieuwste in een reeks vorderingen

Dit werk bouwt voort op de capaciteiten die de medewerkers in de loop van de jaren hebben ontwikkeld, variërend van geavanceerde simulaties van magnetisch gedrag tot innovatieve fabricage- en meettechnieken. Het vertegenwoordigt ook geen eindpunt, maar een mijlpaal in een reeks vorderingen.

Bijvoorbeeld, ze meldden 's werelds eerste "domeinmuurpoort" tijdens de International Electron Devices Meeting van vorig jaar. De wetenschappers gebruiken gerichte ionenstraalstraling om de magnetische eigenschappen van scherp gedefinieerde plekken op het apparaat te veranderen. Zogenaamde domeinwanden die daar worden gegenereerd, kunnen door magnetische draden stromen onder controle van omringende nanomagneten. Dit 2D-apparaat, TUM-promovendus Stephan Breitkreutz legt uit, "maakt signaalroutering mogelijk, bufferen, en synchronisatie in magnetische circuits, vergelijkbaar met vergrendelingen in elektrische geïntegreerde schakelingen."

Een vork in de routekaart van de industrie

Alle spelers in de halfgeleiderindustrie profiteren van één sectorbrede gezamenlijke inspanning:het ontwikkelen van "roadmaps" op lange termijn die potentiële wegen naar gemeenschappelijke technologische doelen in kaart brengen. In de meest recente uitgave van de International Technology Roadmap for Semiconductors, nanomagnetische logica wordt serieus overwogen in een diverse dierentuin van 'opkomende onderzoeksapparatuur'. Magnetische circuits zijn niet-vluchtig, wat betekent dat ze geen stroom nodig hebben om te onthouden in welke staat ze zich bevinden. Extreem laag energieverbruik is een van hun meest veelbelovende kenmerken. Ze kunnen ook bij kamertemperatuur werken en zijn bestand tegen straling.

Vooral de mogelijkheid om meer poorten op een chip te plaatsen is belangrijk. Nanomagnetische logica kan een zeer dichte pakking mogelijk maken, om verschillende redenen. De meest elementaire bouwstenen, de individuele nanomagneten, zijn qua grootte vergelijkbaar met individuele transistors. Verder, waar transistors contacten en bedrading nodig hebben, nanomagneten werken puur met koppelingsvelden. Ook, bij het bouwen van CMOS en nanomagnetische apparaten die dezelfde functie hebben, bijvoorbeeld een zogenaamde full-adder - er zijn minder magneten nodig dan transistors om de klus te klaren.

Eindelijk, het potentieel om uit de 2D-ontwerpruimte te breken met stapels 3D-apparaten maakt nanomagnetische logica concurrerend. TUM-promovendus Irina Eichwald, hoofdauteur van de Nanotechnologie papier, legt uit:"De 3D-meerderheidspoort laat zien dat magnetisch computergebruik in alle drie de dimensies kan worden benut, om monolithische, sequentieel gestapelde magnetische circuits die een betere schaalbaarheid en verbeterde pakkingsdichtheid beloven."

"Het is een grote uitdaging om te concurreren met silicium CMOS-circuits, " voegt Dr. Markus Becherer toe, leider van de TUM onderzoeksgroep binnen het Instituut voor Technische Elektronica. "Echter, er kunnen toepassingen zijn waarbij de niet-vluchtige, ultralow-power werking en hoge integratiedichtheid aangeboden door 3D nanomagnetische circuits geven ze een voorsprong."