Магнитная логика делает для изменчивых чипов
Транзисторы, простые переключатели, лежащие в основе всей современной электроники, обычно используют крошечное напряжение для переключения между «вкл» и «выкл». Подход напряжения является очень надежным и легко миниатюрным, но имеет свои недостатки. Во-первых, для поддержания напряжения необходимо питание, которое увеличивает потребление энергии микрочипом. Во-вторых, транзисторы должны быть встроены в микросхемы и не могут быть перенастроены, что означает, что компьютерам необходимы специальные схемы для 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 мельчайший мостик антимонида индия из полупроводникового материала (S. Joo et al. Nature http://dx.doi.org /10.1038/nature11817; 2013). «Это новый и интересный поворот в том, как реализовать логические ворота», - говорит Джан Салис, физик из исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе в Швейцарии.
Мост имеет два слоя: нижняя палуба с избытком положительно заряженных дырок и верхняя палуба, заполненная 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 палубы и свободно текут. Когда магнитное поле перевернуто, электроны врезаются в нижнюю палубу и рекомбинируют с отверстиями - эффективно отключая выключатель (см. «Магнитный замок»).
«Способность магнитного логического элемента удерживать переключатель во включенном или выключенном состоянии без напряжения« может привести к значительному снижению потребления энергии », - говорит соавтор исследования Джин Донг Сонг, физик из KIST. Еще более впечатляет то, что с магнитными переключателями «можно обращаться как с программным обеспечением», говорит он, просто щелкая поле, чтобы включить или отключить цепь. Таким образом, мобильный телефон может, например, перепрограммировать немного своей микросхемы для обработки видео, пока его пользователь просматривает клип на YouTube, а затем переключать микросхему обратно на обработку сигнала, чтобы принять телефонный звонок. Это может значительно уменьшить громкость схем, необходимых внутри телефона.
Такая реконфигурируемая логика может быть неоценимой в спутниках, добавляет Марк Джонсон из Морской исследовательской лаборатории в Вашингтоне, округ Колумбия, соавтор статьи. Если часть чипа вышла из строя на орбите, другой сектор может быть просто перепрограммирован, чтобы вступить во владение. «Вы исцелили цепь и сделали это с Земли», - говорит он.
Однако, чтобы по-настоящему понять, магнитная логика должна быть интегрирована с существующими технологиями на основе кремния. Это может быть нелегко. Во-первых, антимонид индия, полупроводник, имеющий решающее значение для цепей, не подходит для производственных процессов, используемых для создания современной электроники, считает Джуничи Мурота, исследователь, работающий с наноэлектроникой в университете Тохоку в Японии. Но Джонсон говорит, что в конечном итоге возможно построить подобные мосты с кремнием.
Интеграция миниатюрных магнитов, необходимых для управления устройствами, в обычный чип тоже будет непростой задачей. По словам Салиса, компании должны быть в состоянии решить эти проблемы, но только если они решат, что устройства того стоят. В настоящее время, добавляет он, неясно, будут ли устройства работать хорошо при размерах, необходимых для практического чипа - намного меньше, чем микрометровые размеры прототипов.
Но Джонсон отмечает, что магнетизм уже завоевывает популярность в схемотехнике: некоторые продвинутые устройства начинают использовать магнитную версию оперативной памяти, тип памяти, который исторически создавался только с обычными транзисторами. «Я думаю, что сдвиг уже идет», - говорит он.
