Magnetische Logik sorgt für veränderbare Chips
Transistoren, die einfachen Schalter, die das Herzstück jeder modernen Elektronik bilden, verwenden im Allgemeinen eine winzige Spannung, um zwischen "Ein" und "Aus" umzuschalten. Der Spannungsansatz ist sehr zuverlässig und leicht zu miniaturisieren, hat jedoch seine Nachteile. Erstens erfordert das Aufrechterhalten der Spannung Strom, wodurch der Energieverbrauch des Mikrochips erhöht wird. Zweitens müssen die Transistoren fest mit den Chips verbunden sein und können nicht neu konfiguriert werden. Dies bedeutet, dass Computer für alle ihre Funktionen dedizierte Schaltkreise benötigen.
Eine Forschungsgruppe am Koreanischen Institut für Wissenschaft und Technologie (KIST) in Seoul, Südkorea, hat eine Schaltung entwickelt, die diese Probleme möglicherweise umgeht. Das Gerät, das in einem Artikel beschrieben wurde, der am 30. Januar auf der Nature-Website veröffentlicht wurde, steuert mithilfe von Magnetismus den Elektronenfluss über eine winzige Brücke des Halbleitermaterials Indiumantimonid (S. Joo et al. Nature http://dx.doi.org) / 10.1038/nature11817; 2013). Dies ist „eine neue und interessante Variante der Implementierung eines Logikgatters“, sagt Gian Salis, Physiker am IBM-Forschungslabor Zürich in der Schweiz.
Die Brücke besteht aus zwei Schichten: einem unteren Deck mit einem Überschuss an positiv geladenen Löchern und einem oberen Deck, das überwiegend mit negativ geladenen Elektronen gefüllt ist. Dank der ungewöhnlichen elektronischen Eigenschaften des Indiumantimonids können die Forscher den Elektronenfluss über die Brücke mithilfe eines senkrechten Magnetfelds steuern. Wenn sie das Feld in eine Richtung lenken, werden die Elektronen vom positiven Unterdeck weggelenkt und fließen frei. Wenn das Magnetfeld umgedreht wird, prallen die Elektronen auf das Unterdeck und vereinigen sich wieder mit den Löchern. Dadurch wird der Schalter effektiv ausgeschaltet (siehe „Magnetverschluss“).
Die Fähigkeit eines magnetischen Logikgatters, den Schalter ohne Spannung ein- oder auszuschalten, „könnte zu einer erheblichen Reduzierung des Energieverbrauchs führen“, sagt der Koautor der Studie, Jin Dong Song, ein Physiker am KIST. Noch beeindruckender sei, dass die Magnetschalter "wie Software gehandhabt werden können", indem man einfach das Feld umdreht, um eine Schaltung zu aktivieren oder zu deaktivieren. So könnte ein Mobiltelefon beispielsweise einen Teil seiner Mikroschaltung neu programmieren, um Videos zu verarbeiten, während der Benutzer einen Clip auf YouTube ansieht, und dann den Chip wieder auf Signalverarbeitung umschalten, um einen Anruf entgegenzunehmen. Dies könnte die Menge der im Telefon benötigten Schaltkreise erheblich verringern.
Eine solche umkonfigurierbare Logik könnte für Satelliten von unschätzbarem Wert sein, fügt Mark Johnson vom Naval Research Laboratory in Washington DC, einem Mitautor der Veröffentlichung, hinzu. Wenn ein Teil eines Chips in der Umlaufbahn ausfällt, kann ein anderer Sektor einfach neu programmiert werden, um die Umlaufbahn zu übernehmen. "Sie haben den Stromkreis geheilt und Sie haben ihn von der Erde aus gemacht", sagt er.
Um sich jedoch wirklich durchzusetzen, müsste die magnetische Logik in vorhandene Technologien auf Siliziumbasis integriert werden. Das ist vielleicht nicht einfach. Zum einen eignet sich Indiumantimonid, der für die Schaltkreise entscheidende Halbleiter, nicht gut für Herstellungsprozesse, die zur Herstellung moderner Elektronik verwendet werden, so Junichi Murota, ein Forscher, der mit Nanoelektronik an der Tohoku-Universität in Japan arbeitet. Aber Johnson sagt, dass es eventuell möglich sein könnte, ähnliche Brücken mit Silizium zu bauen.
Die zur Steuerung der Geräte benötigten Miniaturmagnete in einen normalen Chip zu integrieren, wäre ebenfalls nicht einfach. Unternehmen sollten in der Lage sein, diese Herausforderungen zu lösen, aber nur, wenn sie entscheiden, dass sich die Geräte lohnen, sagt Salis. Derzeit sei nicht klar, ob die Geräte in den Größen, die für einen praktischen Chip benötigt würden - viel kleiner als die Mikrometerabmessungen der Prototypen - eine gute Leistung erbringen.
Johnson merkt jedoch an, dass sich der Magnetismus bereits im Schaltungsdesign durchsetzt: Einige fortschrittliche Geräte beginnen, eine magnetische Version des Direktzugriffsspeichers zu verwenden, einen Speichertyp, der in der Vergangenheit nur mit herkömmlichen Transistoren gebaut wurde. "Ich denke, eine Verschiebung ist bereits im Gange", sagt er.
