Iuliana Radu is programmamanager Beyond CMOS bij Imec.

14 June 2016

In de toekomst besluiten transistoren misschien bij meerderheid de uitkomst van een bewerking. Imec vertelt over de laatste resultaten in zijn onderzoek naar deze zogeheten meerderheidspoorten.

Naarmate 5-nanometerchips dichter- en dichterbij komen – naar verwachting in 2020 – brengt de schaalverkleining alsmaar grotere uitdagingen met zich mee. Economisch, want processen worden steeds duurder, maar ook technologisch, vanwege allerlei parasitaire effecten die optreden. Dat trekt onvermijdelijk het voortbestaan van de traditionele wet van Moore in twijfel, omdat daaraan de aanname ten grondslag ligt dat verhoging van de transistordichtheid onder de streep altijd voordelig is.

De vraag is of er ook transistortypes en rekenparadigma’s bestaan die niet afhankelijk zijn van schaalverkleining. Bij Imec is de zoektocht naar deze zogenaamde beyond-cmos-concepten volop gaande, niet noodzakelijkerwijs als opvolger van cmos, maar ook ter uitbreiding van de functionaliteit van de cmos-chip. Een veelbelovend concept zijn spingebaseerde transistoren, die in plaats van de elektronlading gebruikmaken van de elektronspin – een kwantumeigenschap die verbonden is met magnetisme – om logische bewerkingen te doen. Spin-gebaseerde circuits zijn niet-vluchtig en hebben naar verhouding heel weinig energie nodig om rekenkundige operaties uit te voeren.

Een van hun belangrijkste troeven is echter de mogelijkheid om meerderheidspoorten te maken. Dat zijn ‘democratische’ circuits die ‘waar’ als uitkomst geven wanneer meer dan de helft van hun input ‘waar’ is. Wanneer twee inputs bijvoorbeeld ‘waar’ zijn en een derde is ‘niet waar’, dan is de verwachte uitkomst ‘waar’. Dit concept van meerderheids-logische bewerkingen verschilt in heel wat opzichten van de klassieke nand-gebaseerde logische operaties, waar een uitkomst ‘niet waar’ is alleen als elke input ‘waar’ is. Het brengt een conceptverschuiving met zich mee die de manier waarop wij circuits maken helemaal overhoopgooit.

Maar de voordelen zijn groot: meerderheidspoorten laten toe om rekenkundige circuits te maken die veel compacter en energie-efficiënter zijn dan de gebruikelijke circuits gemaakt van nand- of xor-poorten. Waar we bijvoorbeeld 25 transistoren nodig hebben om een een-bit-opteller te maken in cmos-technologie, zijn er bij de nieuwe technologie slechts vijf omzetters en vier golfgeleiders nodig om dezelfde bewerking te doen.

Distilleren

Er bestaan meerdere manieren om spin-gebaseerde meerderheidspoorten te maken. Het verschil zit hem in de manier waarop de informatie gecodeerd en verwerkt wordt, en in de manier waarop de overgang van het ladingsdomein naar het (magnetische) spindomein gebeurt. Bij Imec richten we ons op twee concepten: de spin torque majority gate (stmg) en de spin wave majority gate (swmg).

In een stmg wordt de informatie gecodeerd in magnetische domeinmuren. Dit zijn interfaces die gebiedjes met een verschillende magnetisatierichting van elkaar scheiden. De meerderheidspoort zelf bestaat uit een kruisvormige vrije laag die gemeenschappelijk is voor vier magnetische tunneljuncties (drie inputs, één output, zie Figuur 1a). De magnetisatierichting van de drie inputlagen wordt geschakeld door middel van het fysische spin transfer torque-mechanisme, dat wordt opgewekt door stroom te sturen door tunneljuncties. Op basis van kwantuminteracties tussen elektronen, ook wel bekend als uitwisseling of exchange, bewegen de domeinmuren zich voort en interageren ze met elkaar, en de meerderheids-magnetisatierichting wint. De output wordt gemeten via tunnel-magnetoweerstand.

Imec
Figuur 1: Schematische voorstelling van een stmg (links) en een swmg (rechts) met drie inputs en een output.

In een swmg is het rekenprincipe gebaseerd op de interferentie van spingolven, oftewel laagenergetische collectieve excitaties in magnetische materialen. De informatie kan worden gecodeerd in de amplitude of in de fase van deze golven, die kunnen worden opgewekt in een zogeheten magneto-elektrische cel. Sleutelelement van deze cel is een piëzo-elektrische laag (die spanning omzet in mechanische stress) en een magnetostrictieve laag (waarin stress een verandering in magnetisatie of magnetisatie-anisotropie teweegbrengt). De verandering in magnetisatie genereert op haar beurt een spingolf in een magnetische spingolf-bus. Een swmg wordt uitgelezen met het magnetoresistieve effect.

Zowel de stmg als de swmg is uitgebreid bestudeerd, maar hun werking is nog niet experimenteel aangetoond. Ook bij Imec hebben we met simulaties ze eerst beter leren begrijpen door de twee meerderheidspoorten met equivalente circuits in 10-nanometer-finfet-technologie met elkaar te vergelijken. Daarnaast hebben we ook de eerste experimentele resultaten behaald, waaruit we de belangrijkste uitdagingen voor beide concepten kunnen distilleren.

Pilaren

Onze onderzoekers voerden micromagnetische simulaties uit om de werking van de stmg te valideren en om zijn werkingscondities te bepalen. Wanneer de gezamenlijke stroom van de input (of zijn pulslengte) niet voldoende groot zijn, zal de output niet kunnen schakelen. Dat is het principe waarop de schakeling is gebaseerd.

Maar zelfs als de stroompulsen genoeg energie leveren om te schakelen, kunnen er nog andere mechanismen optreden die schakelen voorkomen. Zo kunnen de domeinmuren die gevormd worden vast komen te zitten bij het kruispunt van het circuit. Dat gebeurt wanneer de breedte van het kruis een zekere waarde overschrijdt, typisch zo’n vijftien à twintig nanometer. Dat maakt het moeilijk om deze meerderheidspoorten experimenteel te demonstreren. Er moeten immers patronerings- en etsstappen worden toegepast die moeten leiden tot heel kleine afmetingen en tot kleine afstanden tussen de magnetische tunneljuncties.

Nochtans biedt dit initiële struikelblok heel wat mogelijkheden voor verdere schaalverkleining. Een belangrijk voordeel van deze meerderheidspoort is het gebruik van bekende materialen in de halfgeleiderfabricage, vergelijkbaar met de materialen in magnetische geheugens.

Imec vergeleek de stmg met de equivalente circuits in standaard 10-nanometer-cmos op het gebied van oppervlakte, vermogen en vertraging. Gemiddeld hebben de stmg-circuits een oppervlakte die ongeveer tien keer kleiner is, en bieden ze een route voor verdere schaalverkleining. Maar omdat ze door een stroom worden gecontroleerd, hebben ze een grotere vertraging, waardoor ze minder efficiënt zijn dan equivalente circuits in cmos. Om hun werking te verbeteren, is meer vooruitgang nodig op het gebied van materialen, vergelijkbaar met de vooruitgang die nodig is voor magnetische geheugens.

Bij Imec maken we momenteel de eerste stmg-circuits op 300 millimeter wafers (zie Figuur 2). Hierbij besteden we vooral aandacht aan het etsen van de pilaren die de magnetische tunneljuncties moeten vormen.

Imec Figuur 2
Figuur 2: Elektronenmicroscopische foto van de interface van een stmg-tunnelbarrière in zijaanzicht. De insets tonen een bovenaanzicht van de magnetische tunneljuncties en van de kruisvormige vrije laag.

Twaalf keer trager

We hebben micromagnetische simulaties ook ingezet om de voortplanting van de spingolf in swmg’s te modelleren, en om het magnetisch gedrag van de magneto-elektrische cel te simuleren die de aangebrachte spanning omzet in een spingolf. Deze cel is kritisch voor de werking van de meerderheidspoort. We hebben de parameterruimte bepaald waarin de magneto-elektrische cel optimaal zou moeten werken, en we hebben deze parameters gebruikt als input voor de synthese van het circuit.

Het maken van magneto-elektrische cellen is een hele uitdaging, aangezien de materialen niet typisch worden gebruikt in standaard fabs en cleanrooms. Daarom, en om de juiste materialen te kunnen bepalen, hebben we een circuit synthesis uitgevoerd en hebben we de circuits vergeleken met cmos. Op basis van de materiaalparameters die we uit deze simulaties konden halen, hebben we de startmaterialen voor onze experimenten bepaald.

Een van de vragen die moet worden beantwoord, is hoe de piëzo-elektrische materialen zich gedragen bij de hoge frequenties (ordegrootte van gigahertz) die nodig zijn voor logische bewerkingen. Piëzo-elektrische materialen worden in heel wat toepassingen gebruikt, maar typisch bij lage frequenties (tot enkele honderden kilohertz).

Bij Imec zijn we gestart met de eerste experimenten om piëzo-elektrische materialen in een dunne film te groeien, en om te leren hoe deze materialen zich in het hogefrequentiedomein gedragen. En hoewel meer experimenten nodig zijn om de performantie te verbeteren en om het betrouwbaarheidsgedrag in kaart te brengen, zijn de eerste resultaten heel bemoedigend. Een belangrijk nadeel van de spingolftechnologie is dat de benodigde materialen (zowel de magnetostrictieve als de piëzo-elektrische) heel verschillend zijn van standaard cmos-materialen.

We voerden ook een benchmarking uit van de spingolftechnologie ten opzichte van cmos-circuits (zie Figuur 3). De spingolfcircuits hebben gemiddeld 3,5 keer minder oppervlakte nodig en verbruiken vierhonderd keer minder vermogen dan hun cmos-tegenhangers. Maar de spingolfcircuits zijn gemiddeld twaalf keer trager, vooral door de trage schakeling van de magneto-elektrische cel. Swmg’s zijn daarom geschikt voor ultralaagvermogentoepassingen, waar de vertraging van minder belang is.

Imec Figuur 3
Figuur 3: Een vergelijking van oppervlakte, vertraging en vermogen tussen swmg- en 10-nanometer-cmos-circuits.

Hoogperformant

Spintronische meerderheidspoorten kunnen een revolutie teweegbrengen op het gebied van circuitontwerp. Ze zullen het paradigma van schaalverkleining – zowel op transistor- als op circuitniveau – volledig omgooien. In de toekomst plant Imec meer experimenteel werk om meer te leren over de nieuwe materialen, om de circuits te valideren en om uiteindelijk experimenteel functionele circuits te kunnen demonstreren.

Eens deze technologieën meer matuur zijn, kunnen we beginnen te denken aan multitransistorarchitecturen die cmos- en spingebaseerde transistoren combineren. Een interessante benadering is om boven op cmos-technologie rekenkundige circuits te stapelen die gemaakt zijn van spintronische meerderheidspoorten. De hoogperformante functies kunnen dan worden uitgevoerd door cmos-gebaseerde transistoren en de ultralaagvermogenfuncties door de spin-logische rekenkundige circuits.

Edited by Paul van Gerven