Stephan Breitkreutz e il team utilizzano questo strumento di misurazione autocostruito per sondare il comportamento di commutazione dei dispositivi nanomagnetici. Credito:U. Benz/TUM
Gli ingegneri elettrici dell'Università tecnica di Monaco (TUM) hanno dimostrato un nuovo tipo di elemento costitutivo per i circuiti integrati digitali. I loro esperimenti mostrano che i futuri chip per computer potrebbero essere basati su disposizioni tridimensionali di magneti su scala nanometrica anziché transistor. Poiché la principale tecnologia abilitante dell'industria dei semiconduttori - la fabbricazione CMOS di chip di silicio - si avvicina ai limiti fondamentali, i ricercatori e i collaboratori della TUM dell'Università di Notre Dame stanno esplorando il "calcolo magnetico" come alternativa.
Riportano i loro ultimi risultati sulla rivista Nanotecnologia .
In una pila 3D di nanomagneti, i ricercatori hanno implementato una cosiddetta porta logica maggioritaria, che potrebbe fungere da interruttore programmabile in un circuito digitale. Spiegano il principio alla base con una semplice illustrazione:pensa al modo in cui si comportano i normali magneti a barra quando li avvicini l'uno all'altro, con poli opposti che si attraggono e poli simili che si respingono. Ora immagina di riunire diversi magneti a barra e di tenerli tutti tranne uno in una posizione fissa. I loro campi magnetici possono essere pensati come accoppiati in uno, e la polarità "nord-sud" del magnete che è libero di capovolgersi sarà determinata dall'orientamento della maggior parte dei magneti fissi.
I gate realizzati con nanomagneti accoppiati al campo funzionano in modo analogo, con l'inversione di polarità che rappresenta un passaggio tra stati logici booleani, le cifre binarie 1 e 0. Nella porta di maggioranza 3D riportata dal team TUM-Notre Dame, lo stato del dispositivo è determinato da tre magneti in ingresso, uno dei quali si trova 60 nanometri sotto gli altri due, e viene letto da un singolo magnete di uscita.
L'ultimo di una linea di progressi
Questo lavoro si basa sulle capacità che i collaboratori hanno sviluppato in diversi anni, che vanno da sofisticate simulazioni del comportamento magnetico a tecniche di fabbricazione e misurazione innovative. Inoltre rappresenta non un punto di arrivo, ma una pietra miliare in una serie di progressi.
Questa immagine mostra micrografie elettroniche a scansione di una porta logica maggioritaria 3-D che mostra la scala dell'area di calcolo, con dimensioni inferiori a 200 nanometri, e, in sezione trasversale, la posizione inferiore del terzo magnete di ingresso. Credito:I. Eichwald/TUM
Per esempio, hanno segnalato il primo "gate wall di dominio" al mondo all'International Electron Devices Meeting dello scorso anno. Gli scienziati utilizzano l'irradiazione mirata del raggio ionico per modificare le proprietà magnetiche di punti ben definiti sul dispositivo. Le cosiddette pareti di dominio generate sono in grado di fluire attraverso i fili magnetici sotto il controllo dei nanomagneti circostanti. Questo dispositivo 2D, Il dottorando TUM Stephan Breitkreutz spiega, "abilita l'instradamento del segnale, tampone, e sincronizzazione in circuiti magnetici, simile ai latch nei circuiti elettrici integrati."
Un bivio nella tabella di marcia del settore
Tutti gli attori del settore dei semiconduttori beneficiano di uno sforzo cooperativo a livello di settore:lo sviluppo di "tabelle di marcia" a lungo termine che tracciano potenziali percorsi verso obiettivi tecnologici comuni. Nell'ultimo numero dell'International Technology Roadmap for Semiconductors, la logica nanomagnetica viene presa in seria considerazione in un variegato zoo di "dispositivi di ricerca emergenti". I circuiti magnetici sono non volatili, il che significa che non hanno bisogno di alimentazione per ricordare in che stato si trovano. Il consumo energetico estremamente basso è una delle loro caratteristiche più promettenti. Possono anche funzionare a temperatura ambiente e resistere alle radiazioni.
Il potenziale per impacchettare più porte su un chip è particolarmente importante. La logica nanomagnetica può consentire un imballaggio molto denso, Per diverse ragioni. Gli elementi costitutivi più elementari, i singoli nanomagneti, sono di dimensioni paragonabili ai singoli transistor. Per di più, dove i transistor richiedono contatti e cablaggi, i nanomagneti operano esclusivamente con campi di accoppiamento. Anche, nella costruzione di dispositivi CMOS e nanomagnetici che hanno la stessa funzione, ad esempio un cosiddetto sommatore completo:possono essere necessari meno magneti rispetto ai transistor per portare a termine il lavoro.
Finalmente, il potenziale per uscire dallo spazio di progettazione 2D con pile di dispositivi 3D rende la logica nanomagnetica competitiva. dottoranda TUM Irina Eichwald, autore principale di Nanotecnologia carta, spiega:"La porta maggioritaria 3D dimostra che il calcolo magnetico può essere sfruttato in tutte e tre le dimensioni, per realizzare monolitici, circuiti magnetici sequenzialmente impilati che promettono una migliore scalabilità e una migliore densità di imballaggio".
"È una grande sfida competere con i circuiti CMOS al silicio, " aggiunge il dottor Markus Becherer, capo del gruppo di ricerca TUM all'interno dell'Istituto per l'elettronica tecnica. "Però, potrebbero esserci applicazioni in cui il non volatile, il funzionamento a bassissima potenza e l'elevata densità di integrazione offerti dai circuiti nanomagnetici 3D danno loro un vantaggio."
