Nano-Logik in 3D
Integrierte Schaltkreise dringen dank feldgekoppelter Nanomagneten in neue Dimension vor.
Nachdem die wichtigste Technologie der Halbleiterindustrie – die CMOS-Herstellung auf Siliziumchips – an grundlegende Grenzen stößt, erkunden Forscher „magnetische Computer“ als Alternative. Elektroingenieure der Technischen Universität München (TUM) haben nun zusammen mit Partnern von der Universität von Notre Dame einen neuartigen Funktionsbaustein für digitale integrierte Schaltkreise vorgestellt. Ihre Experimente zeigen, dass Computerchips künftig auf dreidimensionalen Anordnungen von Nanomagneten statt auf Transistoren basieren könnten.
Abb.: Magnetrasterkraftmikroskopieaufnahme eines magnetischen 3D-Mehrheitsgatters. Sichtbar sind die Magnetisierungszustände dreier Eingangs- und eines Ausgangs-Magneten. (Bild: I. Eichwald, TUM)
Die Forscher implementierten ein sogenanntes Majority Logic Gate, das als programmierbares Gatter in digitalen Schaltkreisen eingesetzt werden könnte. Für das zu Grunde liegende Prinzip bieten sie eine anschauliche Erklärung: Man stelle sich das Verhalten zweier Stabmagnete vor. Wenn man diese einander annähert, ziehen sich entgegengesetzte Pole an und gleiche Pole stoßen sich ab. Nimmt man mehrere Stabmagnete, die alle bis auf einen eine feste Position einnehmen, lassen die sich als ein einziges koppelndes Feld annehmen, wobei die „Nord-Süd“-Polarität des beweglichen Magneten folglich von der Orientierung der Mehrzahl der fixierten Magnete bestimmt wird.
Aus feldgekoppelten Nanomagneten hergestellte Logik-Gatter funktionieren analog. Die Umkehrung der Polarität entspricht dem Umschalten zwischen Boolschen Logikzuständen, den binären Ziffern 1 und 0. In dem von den Wissenschaftlergruppen vorgestellten 3D Majority Gate bestimmen drei Eingangsmagnete den Zustand des Bauelements, von denen einer 60 Nanometer unter den beiden anderen positioniert ist. Ein einzelner Ausgangsmagnet liest den Zustand aus.
Die Forschergruppe stellte bereits auf dem International Electron Devices Meeting 2013 das weltweit erste „Domänenwandgatter“ vor. Dabei ändern die Wissenschaftler mit Hilfe eines fokussierten Ionenstrahls die magnetischen Eigenschaften von exakt definierten Punkten auf dem Bauelement. Domänenwände, die so erzeugt werden, können unter dem Einfluss von angrenzenden Nanomagneten durch magnetische Leitungen hindurchfließen. Stephan Breitkreutz von der TUM erklärt, dieses 2D-Bauelement ermögliche „in magnetischen Schaltkreisen die Signalführung, Pufferung und Synchronisation, ähnlich wie Flipflops in elektrischen Schaltkreisen.“
Abb.: Rasterelektronenmikroskopaufnahme eines magnetischen 3D Mehrheitsgatters. Sie zeigt die Abmessung der aktiven Fläche (mit Dimensionen kleiner als 200 Nanometer) und – als Querschnitt – die Position des begrabenen Eingangsmagneten. (Bild: I. Eichwald, TUM)
Magnetische Schaltkreise sind nicht-flüchtig, das heißt sie bedürfen keiner Energie, um ihren Zustand zu wahren. Ihre wohl erfolgversprechendste Eigenschaft ist ihr extrem niedriger Energieverbrauch. Außerdem arbeiten die Bauelemente bei Raumtemperatur und sie sind strahlungsresistent.
Die nanomagnetische Logik erlaubt sehr hohe Packungsdichten. Besonders attraktiv ist die Möglichkeit, mehrere Gatter auf einen Chip zu packen. Die einfachsten Bauelemente, also die einzelnen Nanomagnete, haben in etwa die Größe einzelner Transistoren. Aber während Transistoren zusätzlich noch Kontakte und Verdrahtung benötigen, arbeiten Nanomagnete lediglich über Feldkopplung. Vergleicht man CMOS- und nanomagnetische Bauteile derselben Funktion – beispielsweise sogenannte Volladdierer – dann lässt sich die gleiche Funktionalität mit weit weniger Magneten als Transistoren realisieren.
Was die nanomagnetische Logik vor allem konkurrenzfähig macht, ist die Möglichkeit, sich vom Flächendesign zu lösen und auf platzsparende 3D-Anordnungen umzusteigen. „Das 3D Majority Gate zeigt, dass magnetische Datenverarbeitung in allen drei Dimensionen genutzt werden kann, um monolithische, fortlaufend gestapelte Magnetschaltungen zu bauen, die eine bessere Skalierbarkeit und höhere Packungsdichten ermöglichen", sagt Irina Eichwald, die die aktuelle Forschung maßgeblich betrieben hat.
TUM / PH
