Yeni kuantum malzemeleri: gelecekteki bilgisayarların yarı iletken çağını geçmesi bekleniyor!
Kılavuz
Son zamanlarda, Intel Corporation ve California Üniversitesi, Berkeley'den araştırmacılar spintronik alanında ilerleme kaydetti ve mevcut transistör teknolojisini aşmaya ve gelecekte yeni bellek türleri ve mantık devreleri için yol hazırlamaya çalışıyorlar. Gelecekte, bu yeni bellek ve mantık devrelerinin bu gezegendeki her bilgisayarda kullanılması bekleniyor.
arka fon
1947'de Amerika Birleşik Devletleri'nin Bell Laboratuvarları, germanyum yarı iletkenlerine dayalı güçlendirme işlevine sahip ilk nokta temas transistörünü resmi olarak başarıyla gösterdi ve modern yarı iletken endüstrisinin doğuşunu ve bilgi çağının başlangıcını işaret etti. Transistör, 20. yüzyılın en önemli icatlarından biri olarak selamlanıyor.
Transistör nedir?
(Resim kaynağı: Wikipedia)
Transistör, algılama, düzeltme, amplifikasyon, anahtarlama, voltaj stabilizasyonu ve sinyal modülasyonu gibi birçok işlevi olan katı hal yarı iletken bir cihazdır ve genellikle bir amplifikatör ve bir elektrik anahtarı olarak kullanılır. Cep telefonu, ev aletleri, otomobiller, süper bilgisayarlar vb. Günlük hayatımızda kullanılan her türlü elektronik ürün transistörsüz yapamaz.
Entegre devre teknolojisinin ortaya çıkmasından sonra, çok sayıda transistör tırnak büyüklüğündeki bir yongaya paketlenebilir. Bu tür bir transistör, bir kaynak, bir drenaj ve aralarında bulunan bir kapıdan oluşur Akım kaynaktan drenaja akar ve geçit, akım anahtarının kontrolünde rol oynar. Layman'ın terimleriyle, transistörler elektronları bir yarı iletken içinde hareket ettirebilir ve bunları "ikili bitler" olarak depolayabilir: 0 ve 1.
Yarı iletken endüstrisindeki ünlü "Moore Yasası" bir keresinde şöyle demişti: Fiyat değişmeden kaldığında, entegre bir devreye yerleştirilebilecek transistör sayısı her 18 ayda iki katına çıkacak ve performans da ikiye katlanacak.
Geçtiğimiz birkaç on yılda, yarı iletken endüstrisinin gelişim uygulaması, Moore Yasasının doğru ve istikrarlı olduğunu kanıtladı. Bununla birlikte, yarı iletken teknolojisinin sürekli ilerlemesiyle, transistörlerin boyutu sürekli olarak küçülüyor ve çip üretim süreci, 28 nanometreden 22 nanometreye, 16 nanometreye ve 14 nanometreye, en gelişmiş 7 nanometre ve 5 nanometreye kadar sürekli olarak gelişiyor. Bu nedenle, tek bir yonga üzerinde barındırılabilen transistör sayısı artıyor ve günümüzün en gelişmiş yongalarına yerleştirilebilen transistör sayısı milyarlarca, hatta onlarca milyara ulaştı.
Ne yazık ki, son yıllarda çipteki transistörlerin boyutu ve sayısı yavaşlıyor ve teknoloji bir darboğazla karşılaştı. Başka bir deyişle, Moore Yasası başarısızlıkla karşı karşıyadır.
Bu neden oluyor?
Basitçe söylemek gerekirse, 5 nanometre, transistörlerin fiziksel sınırı olarak adlandırılabilir. 5 nanometreden daha düşük olduğunda, elektronların davranışı kuantum belirsizliği ile sınırlanacaktır.Transistördeki elektronlar tünelleme etkilerine eğilimlidir ve transistör artık güvenilir olmayacaktır. Üretim çok büyük zorluklarla karşılaşacak.
Moor sonrası dönem denen dönemde, dünyanın her yerinden bilim adamları aktif olarak çeşitli yeni teknolojileri, yeni süreçleri ve yeni malzemeleri araştırıyor ve geliştiriyor. Yazar, daha önce birçok makalede ilgili bilimsel araştırma vakalarını tanıttı. Bunların arasında büyük potansiyele sahip ve çok ilgi gören bir alan var, "Spintronics".
Spintronics nedir?
Manyetoelektronik olarak da bilinen Spintronics, gelişmekte olan bir disiplin ve teknolojidir. Elektronların dönüşünü ve manyetik momentini kullanır, böylece yük taşınmasına ek olarak, elektronların dönüşü ve manyetik momenti katı hal cihazına eklenir.
Hepimizin bildiği gibi, elektronların iki önemli özelliği vardır: yük ve spin. Modern mikroelektronik teknolojisi genellikle elektronların yük özelliklerini kullanır, ancak elektronların dönme özelliklerini göz ardı eder.
Elektronlar elektrik yükleri taşır ve elektrik yükleri bir elektrik akımı oluşturmak için bir yönde hareket eder. Geleneksel elektronik bilgisayarlar genellikle veri ve bilgileri elektronik cihazlar ve teller arasındaki akım yoluyla iletir ve işler. Bununla birlikte, akımla karşılaşan direnç ısı üretecek ve ısı elektronik cihazların performansını etkileyecektir.
Bununla birlikte, spintronik cihazlar elektronların başka bir özelliğine dayanır: spin. Spintronik malzemeler, malzemedeki ikili verileri "yukarı" veya "aşağı" elektron dönüş yönü ile kaydedebilir (tıpkı bir çubuk mıknatısın kuzey ve güney kutupları gibi).
(Resim kaynağı: referans [2])
Bu nedenle, spintronik cihazların modern elektronik bilgisayarların karşılaştığı iki ana sorunu çözmesi beklenmektedir: "yüksek güç tüketimi" ve "yüksek ısı üretimi". Geleneksel elektronik cihazlarla karşılaştırıldığında spintronik cihazlar daha az güç tüketir ve daha az ısı üretir. Spintronic bilgisayar, verileri bellekte tutmak için neredeyse sıfır enerjiye ihtiyaç duyar.Ayrıca anında başlatılabilir ve bugünün bilgisayarlarından kat kat daha güçlü olacaktır.
Spintronics bize birçok yeni uygulama getirdi, örneğin: sabit disk kafaları, manyetik rastgele bellek, dönüş alanı emisyon transistörleri, spin ışığı yayan diyotlar vb. Geleneksel mikroelektronik cihazlarla karşılaştırıldığında spintronik cihazlar, yüksek depolama yoğunluğu, düşük enerji tüketimi ve hızlı yanıt gibi avantajlara sahiptir.
Hollanda'daki Groningen Üniversitesi tarafından geliştirilen magnon tabanlı bir spin transistörü (Resim kaynağı: L. Cornelissen)
Dallas'taki Texas Üniversitesi tarafından geliştirilmiş tamamen karbon spin mantık cihazı (resim kaynağı: referans [3])
Yenilikçilik
Son zamanlarda, Intel Corporation ve California Üniversitesi, Berkeley'den araştırmacılar spintronik alanında ilerleme kaydetti ve mevcut transistör teknolojisini aşmaya ve gelecekte yeni bellek türleri ve mantık devreleri için yol hazırlamaya çalışıyorlar. Gelecekte, bu yeni bellek ve mantık devrelerinin bu gezegendeki her bilgisayarda kullanılması bekleniyor.
3 Aralık'ta Nature dergisinde çevrimiçi olarak yayınlanan bir makalede, araştırmacılar yeni malzemeleri (multiferroik ve topolojik malzemeler) mantık ve depolama cihazlarına dönüştürmek için bir yöntem önerdiler. Bu mantık ve depolama cihazlarının enerji verimliliği, mevcut mikroişlemcilerin "öngörülebilir iyileştirme" nin 10 ila 100 katıdır. Mevcut mikroişlemcilerin çoğu CMOS (Tamamlayıcı Metal Oksit Yarı İletken) teknolojisine dayanmaktadır.
CMOS teknolojisi ile karşılaştırıldığında, "manyeto-elektrik spin-yörünge" (manyeto-elektrik spin-yörünge) veya kısaca "MESO" cihazları, aynı alanda beş kat daha fazla mantıksal işlem gerçekleştirebilir ve " "Birim alan başına daha fazla hesaplama" geliştirme eğilimi de Moore Yasasının temel ilkesidir.
MESO cihazının şematik diyagramı (resim kaynağı: Intel)
Yeni MESO cihazında, multiferroik malzemelerdeki "yukarı" ve "aşağı" manyetik dönme durumları ikili bit bilgisini temsil edebilir ve mantık işlemleri için de kullanılabilir. 2001 yılında, Berkeley'deki Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü ve Fizik Bölümü'nde profesör olan ve bu makalenin kıdemli yazarlarından biri olan Ramamoorthy Ramesh, multiferroik malzemelerin oluşturulmasına öncülük etti. Ramesh aynı zamanda Amerika Birleşik Devletleri Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı'nda bir bilim insanıdır.
Science Advances dergisinde daha önce yayınlanan başka bir makalede, California Üniversitesi, Berkeley ve Intel'deki araştırmacılar, voltajı deneysel olarak göstermek için manyetik malzeme BiFeO3 kullandılar. Aynı zamanda MESO'nun temel gereksinimi olan kontrollü manyetik şalter.
MESO, Intel bilim adamları tarafından icat edildi ve Hillsboro, Oregon'daki Intel Bileşen Araştırma Grubu'nun MESO projesinin donanım geliştirme lideri ve makalenin baş yazarı Sasikanth Manipatruni ilk MESO cihazını tasarladı. Manipatruni, manyetoelektrik malzemelerin işlevlerini spin yörüngeli malzemelerle birleştirdi ve MESO'yu önerdi.
Sekiz yıl önce, makalenin ortak yazarlarından biri olan Berkeley Kaliforniya Üniversitesi'nde doktora öğrencisi olan Ian Young, Intel'de transistörlerin alternatiflerini araştırmak üzere bir grup kurmak için Manipatruni ve Dmitri Nikonov'a katıldı. Beş yıl önce, benzersiz kuantum özelliklerine sahip "topolojik" malzemeler olarak da bilinen multiferroik malzemelere ve spin yörüngeli malzemelere odaklanmaya başladılar.
teknoloji
Multiferroik malzeme, malzemedeki atomların birden fazla "toplanma durumu" sergilediği anlamına gelir ve elektriksel ve manyetik özellikleri birleştiren çok işlevli bir malzemedir. Örneğin ferromagnetlerde, malzemedeki tüm demir atomlarının manyetik momentleri hizalanır ve kalıcı mıknatıslarla sonuçlanır. Ferroelektrik malzemelerde ise, atomların pozitif ve negatif yükleri birbirini iptal ederek, bir elektrik dipolü oluşturur.Elektrik dipolleri, kalıcı bir elektrik dipol momenti oluşturmak için malzemede hizalanır.
Herkesin multiferroik malzemeleri daha iyi anlamasını sağlamak için, geçmişte tanıtılan bilimsel bir araştırma vakasını, yani Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Cornell Üniversitesi tarafından geliştirilen yeni bir "manyetoelektrik multiferroik" malzeme türünü gözden geçirelim. Bu yeni materyali geliştirmek için, araştırmacılar atomik olarak hassas altıgen lutesyum demir oksit (LuFeO3) filmi kullanmaya başladılar. Bu lutesyum demir oksit filmin güçlü ferroelektrik özelliği vardır, ancak maalesef güçlü bir manyetizmaya sahip değildir. Lutesyum demir oksit, dönüşümlü olarak lutesyum oksit ve demir oksitten oluşur. Araştırmacılar, her 10 atom için fazladan bir demir oksit tabakası eklemek için "moleküler ışın epitaksi" teknolojisini kullandılar ve "tek-tek" tek katmanlı modu tekrarladılar.
Manyetik özellikleri değiştirmek için her on atomda fazladan bir demir atomu tabakası eklenir. Lutesyum atomlarının pürüzlü görünümüne atomik kıvrımlar neden olur. (Resim kaynağı: Cornell Üniversitesi)
Bununla birlikte, MESO'nun temeli aynı zamanda multiferroik bir materyaldir, yani bizmut, demir ve oksijenden oluşan bizmut demir oksittir (BiFeO3). Sadece manyetik değil, aynı zamanda ferroelektriktir. Ramesh, bu malzemenin temel avantajının, iki durumun (manyetik ve ferroelektrik) ilişkili veya çiftli olması olduğunu söyledi. Bu nedenle, bir durumu değiştirmek diğer durumu etkileyecektir. Elektrik alanını manipüle ederek, MESO için çok önemli olan manyetik durumu değiştirebilirsiniz.
Bizmut demir oksit multiferroik malzemenin tek kristal yapısı. Bizmut atomları (mavi), kübün her iki yanında oksijen atomları (sarı) bulunan kübik bir kafes oluştururken, demir atomları (gri) merkeze yakın konumdadır. Hafif merkez dışı demir, oksijenle etkileşime girerek atomun (M) manyetik dönüşüyle birleşen bir elektrik dipolü (P) oluşturur. Bu nedenle, elektrik alanı (E) dipolü çevirebilir, böylece manyetik momenti tersine çevirebilir. Materyaldeki atomların ortak manyetik dönüşü, bilgi depolama ve mantıksal işlemleri gerçekleştirmek için ikili bit bilgilerini 0 ve 1 kodlayabilir.
(Resim kaynağı: California Üniversitesi, Berkeley)
MESO'nun mantık iletimi ve cihaz çalışması (referans [5])
MESO mantık cihazının çalışma mekanizması (Referans malzeme [5])
MESO cihazlarının enerjisi ve gecikmesi (Referans malzemeler [5])
MESO cihazlarının performansı ve alanı, gelişmiş CMOS cihazları ve başlıca "CMOS ötesinde" cihazlarla karşılaştırılır (referans [5])
"Döndürme yörünge etkisi" ile topolojik malzemelerin hızlı gelişimi sürecinde, araştırmacılar önemli atılımlar yaptılar. Sözde spin-yörünge etkisi "spin-orbit coupling" olarak da adlandırılır. En ünlü örnek, elektron enerji seviyelerinin yer değiştirmesidir. Elektronlar çekirdeğin elektrik alanında hareket ettiğinde, elektromanyetik etkiler meydana gelir. Elektronun spininin bu elektromanyetik etkileşim ile birleşmesi, bir spin-yörünge etkileşimi oluşturur.
Bu çalışmada, spin-yörünge etkisi, multiferroik durumun etkili bir şekilde okunmasına izin verir. MESO cihazında, elektrik alanı, malzemeye nüfuz eden çift kutuplu elektrik alanını değiştirebilir veya tersine çevirebilir ve çift kutuplu elektrik alanı, elektronun dönüşünü değiştirebilir veya tersine çevirebilir ve elektronun dönüşü bir manyetik alan oluşturur.
MESO cihazlarının spin yörünge okumaları (Referans malzemeler [5])
Bu fonksiyon, elektron spininin yönü ile belirlenen bir akım oluşturan, malzemede bir kuantum etkisi olan spin-orbit kuplajından gelir. Son yıllarda, spin Hall efekti, spin alanı efekti transistörü, düşük kayıplı spin, spin kuantum hesaplama vb.
değer
Nature dergisindeki bir makalede araştırmacılar, multiferroik malzemelerin manyetoelektrik anahtarı için gereken voltajı 3 volttan 500 milivolta düşürdüklerini ve bu voltajın 100 milivolta düşmesinin beklendiğini tahmin ettiklerini bildirdi. : Bugün kullanılan CMOS transistörlerin ihtiyaç duyduğu voltajın beşte biri ile onda biri. Düşük voltaj, düşük enerji tüketimi anlamına gelir: 1'den 0'a bir bit değiştirmek için gereken toplam enerji, CMOS teknolojisinin gerektirdiği enerjinin yalnızca onda biri ile otuzda biridir.
Young şunları söyledi: "CMOS teknolojisini aşma çağında, gelişmiş bilgi işlem çözümleri yerine devrim niteliğinde bir çözüm arıyoruz. MESO, düşük voltajlı ara bağlantı ve düşük voltaj manyetoelektrikliğine dayanıyor ve kuantum malzemelerdeki yenilikleri bilgisayar alanına getiriyor."
Yüksek düzeyde otomatikleştirilmiş sürücüsüz arabalar ve insansız hava araçları gibi teknolojiler "güçlü bilgi işlem gücü" ve "düşük enerji tüketimi" gerektirir ve ayrıca bilgisayarların saniyedeki işlem sayısını artırmasını gerektirir. Ancak bu yeni cihaz, bu teknolojilerin gelişmesine yardımcı olacaktır.
Manipatruni, "CMOS teknolojisi olgunlaştıkça, temelde çok güçlü teknoloji seçeneklerine sahip olacağız. Bazı açılardan, bu seçenek başka bir nesil için bilgi işlem gücünü artırmaya devam edecek."
Ramesh şunları söyledi: "Bu çalışma, manyetik sıralarını değiştirmek için bu multiferroik malzemelere voltaj uygulayabileceğinizi gösteriyor. Ama benim için 'bu multiferroik malzemelerle ne yapabiliriz?' Her zaman büyük bir soru olmuştur. MESO bu boşluğu dolduruyor ve bilgi işlemin gelişimi için bir yol sağlıyor. "
Manipatruni şunları söyledi: "Bu yeni bilgi işlem cihazlarının ve mimarilerinin gerçekleştirilmesi, bir dizi anahtar teknolojinin geliştirilmesini gerektiriyor. Bir sonraki 'transistör benzeri' çözümün neye benzemesi gerektiğini incelemek için endüstriyel ve akademik alanlarda yeni bir inovasyon dalgası başlatmaya çalışıyoruz."
İnsanların acilen daha enerji verimli bilgisayarlara ihtiyacı var. ABD Enerji Bakanlığı, önümüzdeki birkaç on yıl içinde bilgisayar çipi endüstrisinin ölçeğinin trilyonlarca dolara çıkması beklendiğinden, bilgisayarların enerji tüketiminin mevcut ABD enerji tüketiminin% 3'ünden% 20'sine çıkacağını, ki bu da bugün ABD ile neredeyse aynı. Ulaşım sektöründe toplam enerji tüketimi. Daha enerji verimli transistörlerin "eksik" olması, bilgisayarların "her şeye" ("Nesnelerin İnterneti" olarak da bilinir) entegre edilmesini önleyecektir. Ramesh ayrıca, yeni teknoloji olmadan, ABD'nin bilgisayar çiplerinin üretimindeki liderliğinin yerini diğer ülkelerdeki yarı iletken üreticilerinin alacağını da söyledi.
Ramesh, Makine öğreniminin, yapay zekanın ve Nesnelerin İnterneti'nin gelişmesi nedeniyle, ev mobilyalarının, otomobillerin ve üretim yeteneklerinin geleceği çok farklı olacak. Sadece mevcut teknolojileri kullanırsak ve yeni keşifler yapmazsak enerji tüketimi değişecek. Çok büyük. Bilime dayalı yeni atılımlara ihtiyacımız var. "
Anahtar kelime
Transistörler, spintronikler, kuantum teknolojisi, multiferroik malzemeler, yarı iletkenler
Referans
[1] https://news.berkeley.edu/2018/12/03/new-quantum-materials-could-take-computers-beyond-the-semiconductor-era/
[2] S. Y. Bodnar ve diğerleri, Néel dönme yörünge torkları ve büyük anizotropik manyetoresistance tarafından antiferromanyetik Mn2Au yazma ve okuma, Nature Communications 9, 24 Ocak 2018, DOI: 10.1038 / s41467-017-02780-x
3 Joseph S. Friedman ve diğerleri, Düşük boyutlu karbonlu Cascaded spintronic logic, Nature Communications (2017). DOI: 10.1038 / ncomms15635
4 Julia A. Mundy, Charles M. Brooks, Megan E. Holtz, Jarrett A. Moyer, Hena Das, Alejandro F. Rébola, John T. Heron, James D. Clarkson, Steven M. Disseler, Zhiqi Liu, Alan Farhan, Rainer Held, Robert Hovden, Elliot Padgett, Qingyun Mao, Hanjong Paik, Rajiv Misra, Lena F. Kourkoutis, Elke Arenholz, Andreas Scholl, Julie A. Borchers, William D. Ratcliff, Ramamoorthy Ramesh, Craig J. Fennie, Peter Schiffer, David A. Muller, Darrell G. Schlom. Atomik olarak tasarlanmış ferroik katmanlar, oda sıcaklığında bir manyetoelektrik multiferroik verir Doğa, 2016; 537 (7621): 523 DOI: 10.1038 / nature19343
[5] https://www.nature.com/articles/s41586-018-0770-2
