Investigadores de Intel Corp. y la Universidad de California, Berkeley, están mirando más allá de la tecnología actual de transistores y preparando el camino para un nuevo tipo de memoria y circuito lógico que algún día podría estar en todas las computadoras del planeta.

En un artículo que aparece en línea el 3 de diciembre antes de su publicación en la revista. Naturaleza , los investigadores proponen una forma de convertir tipos de materiales relativamente nuevos, materiales multiferroicos y topológicos, en dispositivos lógicos y de memoria que serán de 10 a 100 veces más eficientes energéticamente que las mejoras previsibles de los microprocesadores actuales, que se basan en CMOS (semiconductor de óxido de metal complementario).

Los dispositivos de órbita giratoria magnetoeléctrica o MESO también incluirán cinco veces más operaciones lógicas en el mismo espacio que CMOS, Continuando la tendencia hacia más cálculos por unidad de área, un principio central de la ley de Moore.

Los nuevos dispositivos impulsarán las tecnologías que requieren una potencia informática intensa con un bajo consumo de energía, específicamente altamente automatizado, coches y drones autónomos, ambos requieren un número cada vez mayor de operaciones informáticas por segundo.

"A medida que CMOS alcanza su madurez, Básicamente, tendremos opciones tecnológicas muy poderosas que nos ayudarán. En algunas formas, esto podría continuar con las mejoras informáticas para otra generación completa de personas, "dijo el autor principal Sasikanth Manipatruni, quien dirige el desarrollo de hardware para el proyecto MESO en el grupo de investigación de componentes de Intel en Hillsboro, Oregón. MESO fue inventado por científicos de Intel, y Manipatruni diseñó el primer dispositivo MESO.

Tecnología de transistores, inventado hace 70 años, se utiliza hoy en día en todo, desde teléfonos móviles y electrodomésticos hasta coches y supercomputadoras. Los transistores mezclan electrones dentro de un semiconductor y los almacenan como bits binarios 0 y 1.

En los nuevos dispositivos MESO, los bits binarios son los estados de espín magnético ascendente y descendente en un multiferroico, un material creado por primera vez en 2001 por Ramamoorthy Ramesh, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y física de UC Berkeley y autor principal del artículo.

"El descubrimiento fue que hay materiales en los que se puede aplicar un voltaje y cambiar el orden magnético del multiferroico, "dijo Ramesh, quien también es científico de la facultad en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. "Pero para mí, '¿Qué haríamos con estos multiferroicos?' siempre fue una gran pregunta. MESO cierra esa brecha y proporciona un camino para que la informática evolucione "

En el Naturaleza papel, los investigadores informan que han reducido el voltaje necesario para la conmutación magnetoeléctrica multiferroica de 3 voltios a 500 milivoltios, y predecir que debería ser posible reducir esto a 100 milivoltios:una quinta parte a una décima parte de lo que requieren los transistores CMOS en uso en la actualidad. Un voltaje más bajo significa un uso de energía más bajo:la energía total para cambiar un bit de 1 a 0 sería de una décima a una trigésima parte de la energía requerida por CMOS.

"Es necesario desarrollar una serie de técnicas críticas para permitir estos nuevos tipos de dispositivos y arquitecturas informáticas, "dijo Manipatruni, que combinó las funciones de los materiales magnetoeléctricos y de la órbita de espín para proponer MESO. "Estamos tratando de desencadenar una ola de innovación en la industria y el mundo académico sobre cómo debería ser la próxima opción similar a un transistor".

Internet de las cosas e IA

La necesidad de computadoras más eficientes energéticamente es urgente. El Departamento de Energía proyecta que, con la expectativa de que la industria de los chips de computadora se expanda a varios billones de dólares en las próximas décadas, El uso de energía por parte de las computadoras podría dispararse del 3 por ciento de todo el consumo de energía de los EE. UU. en la actualidad al 20 por ciento, casi tanto como el sector de transporte actual. Sin transistores más eficientes energéticamente, la incorporación de las computadoras a todo —el llamado Internet de las cosas— se vería obstaculizada. Y sin nueva ciencia y tecnología, Ramesh dijo, El liderazgo de Estados Unidos en la fabricación de chips de computadora podría ser eclipsado por los fabricantes de semiconductores de otros países.

"Gracias al aprendizaje automático, inteligencia artificial e IOT, el futuro hogar, el coche del futuro, la capacidad de fabricación futura será muy diferente, "dijo Ramesh, quien hasta hace poco era director asociado de Tecnologías Energéticas en Berkeley Lab. "Si utilizamos las tecnologías existentes y no hacemos más descubrimientos, el consumo de energía será grande. Necesitamos nuevos avances basados ​​en la ciencia ".

Coautor del artículo Ian Young, un doctorado de UC Berkeley, inició un grupo en Intel hace ocho años, junto con Manipatruni y Dmitri Nikonov, para investigar alternativas a los transistores, y hace cinco años empezaron a centrarse en materiales multiferroicos y en órbita de espín, los llamados materiales "topológicos" con propiedades cuánticas únicas.

"Nuestro análisis nos llevó a este tipo de material, magnetoeléctricos, y todos los caminos conducían a Ramesh, "dijo Manipatruni.

Materiales multiféricos y de órbita giratoria

Multiferroics son materiales cuyos átomos exhiben más de un "estado colectivo". En ferromagnetos, por ejemplo, los momentos magnéticos de todos los átomos de hierro del material se alinean para generar un imán permanente. En materiales ferroeléctricos, por otra parte, las cargas positivas y negativas de los átomos están compensadas, creando dipolos eléctricos que se alinean en todo el material y crean un momento eléctrico permanente.

MESO se basa en un material multiferroico que consiste en bismuto, hierro y oxígeno (BiFeO3) que es tanto magnético como ferroeléctrico. Su ventaja clave, Ramesh dijo, es que estos dos estados, magnético y ferroeléctrico, están vinculados o acoplados, de modo que cambiar uno afecta al otro. Manipulando el campo eléctrico, puedes cambiar el estado magnético, que es fundamental para MESO.

El avance clave llegó con el rápido desarrollo de materiales topológicos con efecto de órbita giratoria, que permiten la lectura eficiente del estado del multiferroico. En dispositivos MESO, un campo eléctrico altera o invierte el campo eléctrico dipolo en todo el material, que altera o invierte los giros de electrones que generan el campo magnético. Esta capacidad proviene del acoplamiento espín-órbita, un efecto cuántico en los materiales, que produce una corriente determinada por la dirección de giro del electrón.

En otro artículo que apareció a principios de este mes en Science Advances, UC Berkeley e Intel demostraron experimentalmente la conmutación magnética controlada por voltaje utilizando el material magnetoeléctrico bismuto-óxido de hierro (BiFeO3), un requisito clave para MESO.

"Buscamos enfoques revolucionarios y no evolutivos para la informática en la era más allá de CMOS, ", Dijo Young." MESO se basa en interconexiones de bajo voltaje y magnetoeléctricos de bajo voltaje, y aporta innovación en materiales cuánticos a la informática ".