Chips ohne Transistoren

Magnetische Nanostrukturen könnten ohne einen einzigen Transoistor zu einer neuen Prozessor-Generation führen.

Notre Dame (USA)/München - Neueste Computerchips weisen Strukturen von nur noch 65 Nanometer Größe auf. Millionen Transistoren ballen sich auf einem einzigen Prozessor. Zahlreiche Wissenschaftler suchen für die kommenden Chipgenerationen nach Alternativen zu diesen Schaltkreise auf Siliziumbasis. Amerikanische und deutsche Physiker entwickelten dazu universell nutzbare Logikbausteine, die auf magnetischen Nanostrukturen aufbauen. Ohne jeden Transistor könnten sie zu einer neuen Generation von Prozessoren führen. Ihre Ergebnisse präsentieren sie in der Zeitschrift "Science":

„Systeme aus magnetischen Quantenpunkten bieten einen geringen Stromverbrauch, eine hohe Dichte der funktionellen Elemente und arbeiten bei Raumtemperatur“, berichten Alexandra Imre und Kollegen von der University of Notre Dame im US-Bundesstaat Indiana. Zusammen mit György Csaba von der Technischen Universität München positionierten sie 70 bis 135 Nanometer kleine Kristallite aus einer Nickeleisenlegierung auf einer hochreinen Oberfläche. In Vorversuchen ordneten sie diese Nanomagneten in einer Reihe an. Je nach vertikaler oder horizontaler Ausrichtung eines äußeren Magnetfeldes (500 Oersted) richteten sich einzelne Kristallite mit ihrem Magnetspin aus. Über ferromagnetische und antiferromagnetische Kopplungen reagierten die benachbarten Nanomagneten und veränderten ebenfalls ihre Ausrichtung.

Diesen Effekt, der bisher nur zur Speicherung von digitalen Daten genutzt wird, erlaubt auch die Ausführung logischer Schaltprozesse. Jedoch müssen dazu die Nanomagnete in etwas komplizierteren Strukturen angeordnet werden. In einem Ensemble aus acht Kristalliten wird ein zentraler Nanomagnet von vier weiteren direkt umgeben. Weitere drei Nanoteilchen schließen sich an diese an (Abb.). Die digitalen Werte „0“ und „1“ werden durch die jeweilige Ausrichtung der Magnetisierung der Nanomagneten repräsentiert.

Zwei der drei äußeren Nanomagneten dienen dabei jeweils als „Input“, das dritte als „Output“. Versuche mit äußeren Magnetfeldern zeigten, dass solche Strukturen als logisches Gatter (NAND/NOR) dienen können. Die Schaltzeiten dieser Magnetmodule können im Prinzip bis auf schnelle 100 Pikosekunden sinken. Für komplexere Berechnungen müssten allerdings viele von diesen Logik-Modulen hintereinander angeordnet werden. Solche Experimente stehen noch aus. Doch gelingt dies, wäre eine Art Prozessor mit ausgesprochen geringem Stromverbrauch möglich. Nach Abschätzungen der Forscher benötigten 10 ¹⁰ Gatter lediglich ein Zehntel Watt.

Bis diese Anordnungen von Nanomagneten zu Berechnungen genutzt werden können, werden sicherlich noch einige Jahre vergehen. Doch könnten sie dann als Grundlage für so genannte MRAM-Module (magnetic random memory access) dienen. Im Unterschied zu den elektrisch betriebenen SRAM und DRAM-Chips merken sich diese die jeweils letzte Einstellung ohne Stromversorgung. Computer benötigten damit beim Anschalten keinen zeitaufwändigen Bootvorgang mehr. Nach Aussagen der Wissenschaftler stehen die Fertigungstechniken für solche MRAM-Module mit der Entwicklung von modernsten magnetischen Speichermedien prinzipiell schon zur Verfügung.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  A. Imre et al., Majority Logic Gate for Magnetic Quantum-Dot Cellular Automata, Science 311, 205 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1120506 
• Kommentar:
  R. P. Cowburn, Where have all the transistors gone?, Science 311, 183 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1122441 
• University of Notre Dame: 
  http://www.nd.edu 
• Center for Nano Science and Technology, UND: 
  http://www.nd.edu/~ndnano/ 
• Technische Universität München: 
  http://www.tum.de 
• Institut für Nanoelektronik, TUM:
  http://www.nano.ei.tum.de/Research/research.htm

Weitere Literatur:

• Ney, C. Pampuch, R. Koch, K. H. Ploog, Nature 425, 485 (2003). 
• R. P. Cowburn, M. E. Welland, Science 287, 1466 (2000). 
• D. A. Allwood et al., Science 309, 1688 (2005) 
• G. Csaba, A. Imre, G. H. Bernstein, W. Porod, V. Metlushko, IEEE Trans. Nanotechnol. 1, 209 (2002).