Компания Intel и ученые из Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли разработали магнитоэлектрический спин-орбитальный (МЭСО) логический элемент, который должен прийти на смену комплементарным структурам металл-оксид-полупроводников (КМОП), то есть обычным транзисторам. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature, также об этом сообщила Intel на своем сайте.
Intel считает, что применение МЭСО сможет вывести электронику из тупика, в которой она зайдет, когда миниатюризировать дальше современные транзисторы станет невозможно.
«Мы ищем революционные, а не эволюционные подходы к вычислениям в эпоху пост-КМОП. МЭСО построен вокруг низковольтных соединений и низковольтных магнитоэлектриков. Он объединяет инновации в области квантовых материалов и вычислений», — комментирует открытие Ян Янг (Ian Young), старший научный сотрудник Intel и директор группы исследования интегральных микросхем в группе технологий и производства.
Преимуществом МЭСО является то, что напряжение, необходимое для его переключения, в пять раз ниже напряжения при переключении КМОП. Проведенные эксперименты показали, что для переключения достаточно 500 мВ, но ученые подсчитали, что это значение можно довести до 100 мВ.
В результате процессоры на МЭСО будут потреблять в 10-30 раз меньше энергии по сравнению с чипами на транзисторах, плюс будут сверхэкономными в спящем режиме. В перспективе можно говорить о повышении энергоэффективности в 10-100 раз по сравнению с тем, чего в будущем можно добиться от КМОП.
Ученые сообщают, что МЭСО может вместить в пять раз больше логических операций на том же пространстве по сравнению с КМОП.
Кроме того, МЭСО может использоваться одновременно и для обработки, и для хранения данных — в каждый элемент можно записать, по крайней мере, 1 бит информации. Дело в том, что МЭСО изготавливаются из так называемого мультиферроика — соединения висмута, железа и кислорода (BiFeO3). Этот материал был впервые создан в 2001 году Рамаморти Рамешем (Ramamoorthy Ramesh), профессором математики и инженерии Калифорнийского университета в Беркли и главным автором статьи в Nature.
Мультиферроик имеет два состояния — магнитное и ферроэлектрическое, которые связаны друг с другом. Меняя электрическое поле, можно изменить магнитное состояние. Таким образом, в качестве 0 и 1 здесь выступает восходящее и нисходящее направление намагниченности, которая меняется за счет манипуляций с полем.
Главным прорывом в создании МЭСО стало появление топологических материалов со спин-орбитальным эффектом, который позволяет эффективно считывать состояние мультиферроика. В МЭСО электрическое поле изменяет дипольное электрическое поле по всему материалу, что в свою очередь изменяет электронные спины, которые генерируют магнитное поле. Эта способность исходит из спин-орбитальной связи, квантового эффекта в материалах, который вырабатывает ток, определяемый направлением вращения электрона, сообщает cnews.ru.
