Исследователи из корпорации Intel и Калифорнийского университета в Беркли не только изучают современную транзисторную технологию, но и готовят почву для нового типа памяти и логических схем, которые когда-нибудь появятся в каждом компьютере на планете.

Устройства MESO, основанные на магнитоэлектрических и спин-орбитальных материалах, могут когда-нибудь заменить вездесущий полупроводниковый транзистор, представленный сегодня CMOS. MESO использует магнитные спиновые состояния вверх-вниз в многослойном материале для хранения двоичной информации и выполнения логических операций. Фото: графика Intel

В статье, появившейся в сети 3 декабря перед публикацией в журнале Nature , исследователи предлагают способ превращения относительно новых типов материалов, мультиферроиков и топологических материалов в устройства логики и памяти, которые будут в 10-100 раз больше энергии. эффективнее, чем ожидалось, усовершенствования современных микропроцессоров, которые основаны на CMOS (дополнительный металл-оксид-полупроводник).

Магнитоэлектрические спин-орбитальные или MESO-устройства также будут упаковывать в пять раз больше логических операций в одном и том же пространстве, чем CMOS, продолжая тенденцию к большему количеству вычислений на единицу площади, что является центральным принципом закона Мура.

Новые устройства будут способствовать развитию технологий, требующих высокой вычислительной мощности при низком энергопотреблении, в частности, высокоавтоматизированных автомобилей с автоматическим управлением и беспилотных летательных аппаратов, которые требуют все большего числа операций компьютера в секунду.

«По мере того, как CMOS будет развиваться, у нас появятся очень мощные технологические возможности, через которые мы можем пройти. В некотором смысле это могло бы продолжить вычислительные улучшения для целого поколения людей », – сказал ведущий автор Сасикант Манипатруни, который возглавляет разработку аппаратного обеспечения для проекта MESO в исследовательской группе Intel для компонентов в Хиллсборо, штат Орегон. MESO был изобретен учеными Intel, и Манипатруни разработал первое устройство MESO.

Транзисторная технология, изобретенная 70 лет назад, сегодня используется во всем: от мобильных телефонов и бытовой техники до автомобилей и суперкомпьютеров. Транзисторы перемешивают электроны внутри полупроводника и сохраняют их как двоичные биты 0 и 1.

В новых устройствах MESO двоичные биты представляют собой магнитные спиновые состояния вверх-вниз в мультиферроике, материал, впервые созданный в 2001 году Рамамурти Рамешом, профессором материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли, а также старшим автором бумага.

«Открытие состояло в том, что существуют материалы, в которых можно подавать напряжение и изменять магнитный порядок мультиферроика», – сказал Рамеш, который также является преподавателем в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли. «Но для меня:« Что бы мы сделали с этими мультиферроиками? » всегда был большой вопрос. MESO устраняет этот пробел и обеспечивает единый путь развития вычислительной техники »

В статье « Nature» исследователи сообщают, что они уменьшили напряжение, необходимое для мультиферроичного магнитоэлектрического переключения, с 3 вольт до 500 милливольт, и предсказывают, что должно быть возможно уменьшить это значение до 100 милливольт: от одной пятой до одной десятой Требуется КМОП транзисторов, используемых сегодня. Более низкое напряжение означает более низкое потребление энергии: общая энергия для переключения битов от 1 до 0 будет составлять от одной десятой до одной трети энергии, требуемой CMOS.

«Необходимо разработать ряд критических методов, позволяющих использовать эти новые типы вычислительных устройств и архитектур», – сказал Манипатруни, который объединил функции магнитоэлектрических и спин-орбитальных материалов, чтобы предложить MESO. «Мы пытаемся спровоцировать волну инноваций в промышленности и научных кругах о том, как должен выглядеть следующий транзисторный вариант».

Устройства MESO, основанные на магнитоэлектрических и спин-орбитальных материалах

Монокристаллы мультиферроевого материала висмут-железо-оксид. Атомы висмута (синего цвета) образуют кубическую решетку с атомами кислорода (желтого цвета) на каждой грани куба и атомом железа (серого цвета) вблизи центра. Отчасти нецентральное железо взаимодействует с кислородом, образуя электрический диполь (P), который связан с магнитными спинами атомов (M), так что переключение диполя с помощью электрического поля (E) также переворачивает магнитный момент. Коллективные магнитные спины атомов в материале кодируют двоичные биты 0 и 1 и обеспечивают хранение информации и логические операции. Фото: Ramamoorthy Ramesh lab, Калифорнийский университет в Беркли

Интернет вещей и ИИ

Необходимость в более энергоэффективных компьютерах актуальна. Министерство энергетики прогнозирует, что с учетом того, что в ближайшие несколько десятилетий индустрия компьютерных чипов должна вырасти до нескольких триллионов долларов, потребление энергии компьютерами может вырасти с 3 процентов от общего потребления энергии в США сегодня до 20 процентов, почти столько же, сколько сегодня транспортируется. сектор. Без более энергоэффективных транзисторов было бы затруднено включение компьютеров во все – так называемый Интернет вещей. По словам Рамеша, без новой науки и техники лидирующее положение Америки в производстве компьютерных чипов может быть переоценено производителями полупроводников в других странах.

«Благодаря машинному обучению, искусственному интеллекту и IOT, будущему дому, будущему автомобилю, будущие производственные возможности будут выглядеть совсем по-другому», – сказал Рамеш, который до недавнего времени был заместителем директора по энергетическим технологиям в лаборатории Беркли. «Если мы будем использовать существующие технологии и больше не делать открытий, потребление энергии будет большим. Нам нужны новые научные открытия ».

Соавтор статьи Ян Янг, доктор философии из Калифорнийского университета в Беркли, восемь лет назад вместе с Манипатруни и Дмитрием Никоновым создал группу в Intel для изучения альтернатив транзисторам, а пять лет назад они начали фокусироваться на мультиферроиках и спин-орбите. материалы, так называемые «топологические» материалы с уникальными квантовыми свойствами.

«Наш анализ привел нас к такому типу материала, магнитоэлектрики, и все дороги привели к Рамешу», – сказал Манипатруни.

Мультиферроики и спин-орбитальные материалы

Мультиферроики – это материалы, атомы которых имеют более одного «коллективного состояния». Например, в ферромагнетиках магнитные моменты всех атомов железа в материале выровнены для создания постоянного магнита. В сегнетоэлектрических материалах, с другой стороны, положительные и отрицательные заряды атомов смещаются, создавая электрические диполи, которые выравниваются по всему материалу и создают постоянный электрический момент.

MESO основан на мультиферроидном материале, состоящем из висмута, железа и кислорода (BiFeO3), который является одновременно магнитным и сегнетоэлектрическим. По словам Рамеша, его ключевое преимущество заключается в том, что эти два состояния – магнитное и сегнетоэлектрическое – связаны или связаны, так что изменение одного влияет на другое. Управляя электрическим полем, вы можете изменить магнитное состояние, которое является критическим для MESO.

Ключевым прорывом стало быстрое развитие топологических материалов со спин-орбитальным эффектом, которые позволяют эффективно считывать состояние мультиферроика. В устройствах MESO электрическое поле изменяет или переворачивает дипольное электрическое поле по всему материалу, которое изменяет или переворачивает электронные спины, которые генерируют магнитное поле. Эта возможность происходит от спин-орбитальной связи, квантового эффекта в материалах, который производит ток, определяемый направлением вращения электрона.

В другой статье, опубликованной ранее в этом месяце в журнале Science Advances, Калифорнийский университет в Беркли и Intel экспериментально продемонстрировали управляемое напряжением магнитное переключение с использованием магнитоэлектрического материала висмут-оксид железа (BiFeO3), что является ключевым требованием для MESO.

«Мы ищем революционные, а не эволюционные подходы к вычислениям в эпоху за пределами CMOS», – сказал Янг. «MESO построен на основе низковольтных межкомпонентных соединений и низковольтной магнитоэлектрики и приносит инновации в квантовых материалах в вычислительную технику».

По материалам phys.org