Stephan Breitkreutz y el equipo utilizan este instrumento de medición de fabricación propia para probar el comportamiento de conmutación de los dispositivos nanomagnéticos. Crédito:U. Benz / TUM
Los ingenieros eléctricos de la Universidad Técnica de Múnich (TUM) han demostrado un nuevo tipo de bloque de construcción para circuitos integrados digitales. Sus experimentos muestran que los futuros chips de computadora podrían basarse en arreglos tridimensionales de imanes de escala nanométrica en lugar de transistores. A medida que la principal tecnología habilitadora de la industria de los semiconductores, la fabricación CMOS de chips de silicio, se acerca a los límites fundamentales, los investigadores y colaboradores de TUM en la Universidad de Notre Dame están explorando la "computación magnética" como alternativa.
Informan sus últimos resultados en la revista Nanotecnología .
En una pila 3D de nanoimanes, los investigadores han implementado una llamada puerta lógica mayoritaria, que podría servir como interruptor programable en un circuito digital. Explican el principio subyacente con una ilustración simple:piense en la forma en que se comportan los imanes de barra ordinarios cuando los acerca unos a otros, con polos opuestos que se atraen y polos iguales que se repelen entre sí. Ahora imagina juntar varios imanes de barra y mantener todos menos uno en una posición fija. Se puede pensar que sus campos magnéticos están acoplados en uno, y la polaridad "norte-sur" del imán que puede girar libremente estará determinada por la orientación de la mayoría de los imanes fijos.
Las compuertas hechas de nanoimanes acoplados al campo funcionan de manera análoga, con la inversión de polaridad que representa un cambio entre estados lógicos booleanos, los dígitos binarios 1 y 0. En la puerta de mayoría 3D informada por el equipo de TUM-Notre Dame, el estado del dispositivo está determinado por tres imanes de entrada, uno de los cuales se encuentra 60 nanómetros por debajo de los otros dos, y se lee mediante un único imán de salida.
Lo último en una línea de avances
Este trabajo se basa en las capacidades que los colaboradores han desarrollado durante varios años, que van desde sofisticadas simulaciones de comportamiento magnético hasta técnicas innovadoras de fabricación y medición. Tampoco representa un punto final, sino un hito en una serie de avances.
Esta imagen muestra micrografías electrónicas de barrido de una puerta lógica mayoritaria en 3-D que muestra la escala del área de cálculo, con dimensiones inferiores a 200 nanómetros, y, en sección transversal, la posición inferior del tercer imán de entrada. Crédito:I. Eichwald / TUM
Por ejemplo, informaron sobre la primera "puerta de pared de dominio" del mundo en la Reunión Internacional de Dispositivos Electrónicos del año pasado. Los científicos utilizan la irradiación con haz de iones enfocado para cambiar las propiedades magnéticas de puntos claramente definidos en el dispositivo. Las llamadas paredes de dominio que se generan allí pueden fluir a través de cables magnéticos bajo el control de los nanoimanes circundantes. Este dispositivo 2D, El candidato a doctorado de TUM, Stephan Breitkreutz, explica:"habilita el enrutamiento de señales, almacenamiento en búfer y sincronización en circuitos magnéticos, similar a los pestillos de los circuitos eléctricos integrados ".
Una bifurcación en la hoja de ruta de la industria
Todos los actores del negocio de los semiconductores se benefician de un esfuerzo cooperativo en toda la industria:el desarrollo de "hojas de ruta" de largo alcance que trazan caminos potenciales hacia objetivos tecnológicos comunes. En el número más reciente de la Hoja de ruta tecnológica internacional para semiconductores, La lógica nanomagnética se considera seriamente entre un zoológico diverso de "dispositivos de investigación emergentes". Los circuitos magnéticos no son volátiles, lo que significa que no necesitan energía para recordar en qué estado se encuentran. El consumo de energía extremadamente bajo es una de sus características más prometedoras. También pueden funcionar a temperatura ambiente y resistir la radiación.
El potencial para empaquetar más puertas en un chip es especialmente importante. La lógica nanomagnética puede permitir un empaquetamiento muy denso, por varias razones. Los bloques de construcción más básicos, los nanoimanes individuales, son comparables en tamaño a los transistores individuales. Es más, donde los transistores requieren contactos y cableado, Los nanoimanes operan puramente con campos de acoplamiento. También, en la construcción de CMOS y dispositivos nanomagnéticos que tienen la misma función, por ejemplo, un llamado sumador completo:se pueden necesitar menos imanes que transistores para hacer el trabajo.
Finalmente, el potencial de salir del espacio de diseño 2D con pilas de dispositivos 3D hace que la lógica nanomagnética sea competitiva. Irina Eichwald, candidata a doctorado en TUM, autor principal del Nanotecnología papel, explica:"La puerta de la mayoría 3D demuestra que la computación magnética se puede explotar en las tres dimensiones, para realizar monolíticos, circuitos magnéticos apilados secuencialmente que prometen una mejor escalabilidad y una densidad de empaquetamiento mejorada ".
"Es un gran desafío competir con los circuitos CMOS de silicio, "agrega el Dr. Markus Becherer, líder del grupo de investigación TUM dentro del Instituto de Electrónica Técnica. "Sin embargo, puede haber aplicaciones donde los no volátiles, El funcionamiento con potencia ultrabaja y la alta densidad de integración que ofrecen los circuitos nanomagnéticos 3D les dan una ventaja ".
