Магнитная логика создает изменчивые чипы

Программное обеспечение может превратить компьютер из текстового процессора в вычислительную машину и видеотелефон. Но базовое оборудование не изменилось. Теперь тип транзистора, который можно переключать с помощью магнетизма вместо электричества, может также сделать схемы более гибкими, что приведет к созданию более эффективных и надежных гаджетов, от смартфонов до спутников.

Транзисторы, простые переключатели в основе всей современной электроники, обычно используют крошечное напряжение для переключения между состояниями «включено» и «выключено». Метод напряжения очень надежен и легко миниатюризируется, но имеет свои недостатки. Во-первых, для поддержания напряжения требуется мощность, что увеличивает энергопотребление микросхемы. Во-вторых, транзисторы должны быть встроены в микросхемы и не могут быть переконфигурированы, а это означает, что компьютерам нужны специальные схемы для выполнения всех их функций.

Исследовательская группа из Корейского института науки и технологий (KIST) в Сеуле, Южная Корея, разработала схему, которая может обойти эти проблемы. Устройство, описанное в статье, опубликованной на веб-сайте Nature 30 января, использует магнетизм для управления потоком электронов через крохотный мостик из полупроводникового материала антимонида индия (S. Joo et al. Nature http://dx. doi.org/10.1038/nature11817; 2013). Это «новый и интересный способ реализации логического вентиля», — говорит Джан Салис, физик из Цюрихской исследовательской лаборатории IBM в Швейцарии.

Мост имеет два слоя: нижний слой с избытком положительно заряженных дырок и верхний слой, заполненный преимущественно отрицательно заряженными электронами. Благодаря необычным электронным свойствам антимонида индия исследователи могут контролировать поток электронов через мост, используя перпендикулярное магнитное поле. Когда они устанавливают поле в одном направлении, электроны отклоняются от положительной нижней деки и текут свободно. Когда магнитное поле переключается, электроны врезаются в нижнюю деку и воссоединяются с дырками, фактически отключая переключатель (см. «Магнитный замок»).

Способность магнитного логического элемента удерживать переключатель включенным или выключенным без напряжения «может привести к значительному снижению потребления энергии», говорит соавтор исследования Джин Донг Сонг, физик из KIST. Еще более впечатляюще то, что с магнитными переключателями «можно обращаться как с программным обеспечением», говорит он, просто переключая поле, чтобы включить или отключить цепь. Таким образом, мобильный телефон может, например, перепрограммировать часть своей микросхемы для обработки видео, пока пользователь просматривает клип на YouTube, а затем снова переключить чип на обработку сигнала для приема телефонного звонка. Это может значительно уменьшить объем схем, необходимых внутри телефона.
Такая реконфигурируемая логика может оказаться бесценной для спутников, добавляет Марк Джонсон из Военно-морской исследовательской лаборатории в Вашингтоне, округ Колумбия, соавтор статьи. Если часть чипа выходит из строя на орбите, другой сектор может быть просто перепрограммирован, чтобы взять на себя управление. «Вы вылечили цепь и сделали это с Земли», — говорит он.
Однако, чтобы действительно завоевать популярность, магнитная логика должна быть интегрирована с существующими технологиями на основе кремния. Это может быть нелегко. Во-первых, антимонид индия, полупроводник, имеющий решающее значение для схем, плохо подходит для производственных процессов, используемых для создания современной электроники, по словам Дзюнъити Мурота, исследователя, работающего с наноэлектроникой в ​​Университете Тохоку в Японии. Но Джонсон говорит, что в конечном итоге можно будет построить аналогичные мосты из кремния.

Встроить миниатюрные магниты, необходимые для управления устройствами, в обычный чип тоже будет непросто. По словам Салиса, компании должны быть в состоянии решить эти проблемы, но только в том случае, если они решат, что устройства того стоят. На данный момент, добавляет он, неясно, будут ли устройства хорошо работать при размерах, необходимых для практического чипа, — намного меньших микрометровых размеров прототипов.

Но Джонсон отмечает, что магнетизм уже завоевывает популярность в схемотехнике: некоторые передовые устройства начинают использовать магнитную версию оперативной памяти, тип памяти, который исторически строился только на обычных транзисторах. «Я думаю, что сдвиг уже идет», — говорит он.