Paul van Gerven
6 december

Magneto-elektrische spin-orbit-schakelaars hebben de beste kaarten om cmos-transistoren op te volgen, denkt Intel. De spintronische techniek is net als cmos schaalbaar in afmetingen en energieverbruik.

Cmos-schaling loopt op zijn laatste benen. Ook al is dat niet direct de doodssteek voor de wet van Moore, het is wel hoog tijd om te zoeken naar alternatieven. Intel en de University of California, Berkeley zijn nu iets op het spoor: de spintronische magneto-electric spin-orbit-techniek (meso), waarover de partners publiceren in Nature.

Na evaluatie van meer dan 25 beyond cmos-opties beschouwt Intel meso de meest veelbelovende, al is de techniek natuurlijk nog lang niet helemaal uitgewerkt. ‘Het is een goed voorbeeld van wat mogelijk is, maar er moeten nog verschillende materialen en andere zaken worden ontwikkeld om de meso-techniek in de praktijk te brengen. We hopen dat onze publicatie een golf van innovatie triggert in de halfgeleiderindustrie en bij universiteiten en andere onderzoeksinstellingen’, aldus Intel-onderzoeker Sasikanth Manipatruni van de Components Research-groep.

Klein en zuinig

In een meso-schakelaar worden bits gerepresenteerd door de magnetische spintoestand in bismutijzeroxide (zie figuur). Berkeley-onderzoekers ontdekten bijna twintig jaar geleden al dat het dipoolmoment in dit zogeheten multiferroïsche materiaal is gekoppeld aan het magnetische moment (de collectieve spintoestand) van de atomen waaruit het is opgebouwd. Door de dipool om te klappen met behulp van een elektrisch veld draaien ook de spins om – vandaar de term magneto-elektrisch schakelen.

De tweede helft van de meso-naam refereert aan spin-orbit-koppeling, waarbij de spinrichting invloed heeft op een elektrische stroom. Dit effect gebruikten de onderzoekers om de toestand in het multiferroïsche materiaal uit te lezen.

Alle eenheden in het kristalrooster van bismutijzeroxide hebben een dipoolmoment (P) en een magnetisch moment (M) die aan elkaar zijn gekoppeld. Met een elektrisch veld (E) kunnen beide worden omgeklapt, waarmee een 0 in een 1 verandert of vice versa.

Meso-schakelaars zijn in beginsel kleiner en dichter op elkaar te pakken dan de kleinst denkbare cmos-transistor (mosfet, finfet en andere uitvoeringen), maar belangrijker: de dichtheid kan net als bij cmos van generatie tot generatie verder worden verhoogd. Schaalbaarheid is een belangrijke voorwaarde voor Intel en andere chipfabrikanten, want die willen geen bakken geld investeren in een techniek die slechts één nieuwe chipgeneratie oplevert. Naar schatting levert meso maximaal vijf keer meer rekenoperaties per oppervlakte-eenheid per seconde op dan cmos.

Meso-chips zijn daarnaast tien tot honderd keer energiezuiniger dan hun cmos-equivalent, claimen de onderzoekers. Deels is dat te danken aan een reductie van de spanning die nodig is voor het magneto-elektrisch schakelen, van drie volt naar vijfhonderd millivolt. De wetenschappers verwachten dat de spanning verder kan worden verlaagd naar honderd millivolt, een factor vijf lager dan geavanceerd high-performance cmos.

Een andere reden voor het dramatisch lagere energieverbruik is niet zozeer de manier waarop de schakelaars werken, maar waarop zij met elkaar en de buitenwereld zijn verbonden. In cmos gaat veel energie (en ook performance) verloren in de stroomdraadjes in de chip. Bij meso spelen weerstand en capaciteit van de interconnects veel minder op.

De meso-techniek is ten slotte inherent niet-vluchtig, wat wil zeggen dat de informatie behouden blijft als de stroom eraf gaat. Dit kan het stand-byverbruik van apparaten reduceren.

Stand-by

Minder duidelijk is hoeveel performancewinst de overstap naar meso met zich mee zou brengen. Daarvoor zijn er nog te veel details niet uitgewerkt, laat staan dat er een complete meso-chip is gemaakt. Om toch een idee te krijgen, voerden de onderzoekers simulaties uit met een eenvoudige meso-implementatie, dat wil zeggen: een ic opgebouwd uit ‘universele’ meso-gates dat alle booleaanse functies kan uitvoeren. Daarbij bleek een 0,1 volt meso-ic ongeveer even snel als een 0,3 volt low-power cmos-device.