Ricercatori di Intel Corp. e dell'Università della California, Berkeley, stanno guardando oltre l'attuale tecnologia dei transistor e preparando la strada per un nuovo tipo di memoria e circuito logico che un giorno potrebbe essere in ogni computer del pianeta.

In un articolo apparso online il 3 dicembre prima della pubblicazione sulla rivista Natura , i ricercatori propongono un modo per trasformare tipi di materiali relativamente nuovi, materiali multiferroici e topologici, in dispositivi logici e di memoria che saranno da 10 a 100 volte più efficienti dal punto di vista energetico rispetto ai miglioramenti prevedibili degli attuali microprocessori, che si basano su CMOS (complementare metallo-ossido-semiconduttore).

I dispositivi magnetoelettrici spin-orbita o MESO impacchettano anche cinque volte più operazioni logiche nello stesso spazio rispetto a CMOS, continuando la tendenza verso un maggior numero di calcoli per unità di area, un principio centrale della legge di Moore.

I nuovi dispositivi amplificheranno le tecnologie che richiedono un'intensa potenza di calcolo con un basso consumo energetico, specificamente altamente automatizzato, auto a guida autonoma e droni, entrambi richiedono un numero sempre crescente di operazioni del computer al secondo.

"Man mano che CMOS raggiunge la sua maturità, fondamentalmente avremo opzioni tecnologiche molto potenti che ci consentiranno di superare. In alcuni modi, questo potrebbe continuare a migliorare il calcolo per un'altra intera generazione di persone, " ha detto l'autore principale Sasikanth Manipatruni, che guida lo sviluppo hardware per il progetto MESO presso il gruppo di ricerca sui componenti di Intel a Hillsboro, Oregon. MESO è stato inventato dagli scienziati Intel, e Manipatruni hanno progettato il primo dispositivo MESO.

Tecnologia a transistor, inventato 70 anni fa, viene utilizzato oggi in tutto, dai cellulari e dagli elettrodomestici alle automobili e ai supercomputer. I transistor spostano gli elettroni all'interno di un semiconduttore e li memorizzano come bit binari 0 e 1.

Nei nuovi dispositivi MESO, i bit binari sono gli stati di spin magnetici su e giù in un multiferroico, un materiale creato per la prima volta nel 2001 da Ramamoorthy Ramesh, un professore di scienza e ingegneria dei materiali e di fisica all'Università di Berkeley e autore senior dell'articolo.

"La scoperta è stata che ci sono materiali in cui è possibile applicare una tensione e modificare l'ordine magnetico del multiferroico, " disse Ramesh, che è anche uno scienziato della facoltà al Lawrence Berkeley National Laboratory. "Ma per me, "Cosa faremmo con questi multiferroici?" era sempre una grande domanda. MESO colma questa lacuna e fornisce un percorso per l'evoluzione dell'informatica"

Nel Natura carta, i ricercatori riferiscono di aver ridotto la tensione necessaria per la commutazione magnetoelettrica multiferroica da 3 volt a 500 millivolt, e prevedere che dovrebbe essere possibile ridurla a 100 millivolt:da un quinto a un decimo di quella richiesta dai transistor CMOS oggi in uso. Una tensione più bassa significa un minor consumo di energia:l'energia totale per passare un bit da 1 a 0 sarebbe da un decimo a un trentesimo dell'energia richiesta dal CMOS.

"È necessario sviluppare una serie di tecniche critiche per consentire a questi nuovi tipi di dispositivi e architetture di elaborazione, " disse Manipatruni, che hanno combinato le funzioni dei materiali magnetoelettrici e spin-orbitali per proporre MESO. "Stiamo cercando di innescare un'ondata di innovazione nell'industria e nel mondo accademico su come dovrebbe essere la prossima opzione simile a un transistor".

Internet delle cose e AI

La necessità di computer più efficienti dal punto di vista energetico è urgente. Il Dipartimento dell'Energia progetta che, con l'industria dei chip per computer che dovrebbe espandersi fino a diversi trilioni di dollari nei prossimi decenni, l'uso di energia da parte dei computer potrebbe salire alle stelle dal 3% di tutto il consumo energetico degli Stati Uniti di oggi al 20%, quasi quanto il settore dei trasporti odierno. Senza transistor più efficienti dal punto di vista energetico, l'incorporazione dei computer in ogni cosa, la cosiddetta Internet delle cose, sarebbe ostacolata. E senza nuova scienza e tecnologia, Ramesh ha detto, Il vantaggio dell'America nella produzione di chip per computer potrebbe essere messo in ombra dai produttori di semiconduttori di altri paesi.

"A causa dell'apprendimento automatico, intelligenza artificiale e IOT, la futura casa, l'auto del futuro, la capacità di produzione futura apparirà molto diversa, " disse Ramesh, che fino a poco tempo fa era il direttore associato per le tecnologie energetiche al Berkeley Lab. "Se usiamo le tecnologie esistenti e non facciamo più scoperte, il consumo di energia sarà grande. Abbiamo bisogno di nuove scoperte scientifiche".

Il coautore dell'articolo Ian Young, un dottorato di ricerca dell'Università di Berkeley, ha fondato un gruppo in Intel otto anni fa, insieme a Manipatruni e Dmitri Nikonov, per studiare alternative ai transistor, e cinque anni fa hanno iniziato a concentrarsi su materiali multiferroici e spin-orbita, materiali cosiddetti "topologici" con proprietà quantistiche uniche.

"La nostra analisi ci ha portato a questo tipo di materiale, magneto-elettrico, e tutte le strade portavano a Ramesh, " disse Manipatruni.

Materiali multiferroici e spin-orbita

I multiferroici sono materiali i cui atomi mostrano più di uno "stato collettivo". Nei ferromagneti, Per esempio, i momenti magnetici di tutti gli atomi di ferro nel materiale sono allineati per generare un magnete permanente. Nei materiali ferroelettrici, d'altra parte, le cariche positive e negative degli atomi sono compensate, creando dipoli elettrici che si allineano in tutto il materiale e creano un momento elettrico permanente.

MESO si basa su un materiale multiferroico costituito da bismuto, ferro e ossigeno (BiFeO3) che è sia magnetico che ferroelettrico. Il suo vantaggio chiave, Ramesh ha detto, è che questi due stati, magnetico e ferroelettrico, sono collegati o accoppiati, in modo che il cambiamento dell'uno influisca sull'altro. Manipolando il campo elettrico, puoi cambiare lo stato magnetico, che è fondamentale per MESO.

La svolta chiave è arrivata con il rapido sviluppo di materiali topologici con effetto spin-orbita, che consentono di leggere in modo efficiente lo stato del multiferroico. Nei dispositivi MESO, un campo elettrico altera o capovolge il campo elettrico di dipolo in tutto il materiale, che altera o capovolge gli spin degli elettroni che generano il campo magnetico. Questa capacità deriva dall'accoppiamento spin-orbita, un effetto quantistico nei materiali, che produce una corrente determinata dalla direzione di spin dell'elettrone.

In un altro articolo apparso all'inizio di questo mese su Science Advances, UC Berkeley e Intel hanno dimostrato sperimentalmente la commutazione magnetica controllata in tensione utilizzando il materiale magnetoelettrico bismuto-ossido di ferro (BiFeO3), un requisito fondamentale per MESO.

"Stiamo cercando approcci rivoluzionari e non evolutivi per l'informatica nell'era oltre il CMOS, " ha detto Young. "MESO è costruito attorno a interconnessioni a bassa tensione e magneto-elettrici a bassa tensione, e porta l'innovazione nei materiali quantistici all'informatica."