Intel нашла замену транзистору: предложен необычный логический элемент с памятью

Вопрос дальнейшего снижения масштабов техпроцесса волнует всех производителей полупроводников и компанию Intel в частности. Уменьшение размеров элементов на кристалле позволяет снижать как питание и потребление, так и увеличивать рабочие частоты. И хотя до теоретического предела работы традиционных КМОП-процессов ещё есть небольшой запас, проблемы с переходом на 10-нм технологические нормы показали, что каждый следующий нанометр надо вырывать у природы с неимоверными усилиями и затратами. При этом всем очень хочется, чтобы даже в эру после КМОП процессорные архитектуры продолжали соответствовать фон-неймановским. Это привычно и даёт возможность использовать опыт многих десятилетий. Реально ли это? В Intel считают, что реально.

Как сообщают в Intel, в журнале Nature опубликованы результаты совместной разработки специалистов компании и учёных из калифорнийского Университета в Беркли и Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory). В публикации сообщается о разработке логического элемента будущего. Элемент называется MESO: magneto-electric spin-orbit или, по-русски, магнитоэлектрический спин-орбитальный (МЭСО). По сравнению с транзисторами логика МЭСО может переключаться с напряжением в 5 раз меньшим, чем транзисторы в логике КМОП. В эксперименте элемент переключался с напряжением 500 мВ, но расчёты показывают, что переключение также будет происходить при напряжении 100 мВ.

Снижение напряжения для переключения элемента автоматически ведёт к снижению потребления и токов утечек. Разработчики считают, что МЭСО-логика уменьшит потребление чипов от 10 до 30 раз и обеспечит сверхнизкое потребление в ждущем режиме. Нетрудно представить, что разработка обещает толкнуть вычислительные архитектуры далеко вперёд, что в эру ИИ может оказать неоценимую услугу отрасли и людям. Мы же не хотим конкурировать со Скайнет за доступ к электростанциям? Шутка.

Но на этом вся прелесть в МЭСО не заканчивается. Этот элемент может также хранить информацию — как минимум один бит данных на один элемент. Тем самым информация может храниться там, где она обрабатывается. Мозги 2.0? Фишка в том, что в качестве материала для ячейки МЭСО используется мультиферроик в виде соединения висмута, железа и кислорода (BiFeO3). Мультиферроики (в советской литературе — сегнетомагнетики) отличаются тем, что в них существуют две и более упорядоченности. В противовес им, например, в ферромагнетике под воздействием внешнего электромагнитного поля проявляется намагниченность, а в сегнетоэлектриках — начинает течь ток.

В мультиферроиках в виде соединения BiFeO3 атомы кислорода и железа внутри решётки из висмута создают электрический диполь и связанный с ними магнитный (спиновый) момент. Меняя направление электрического диполя с помощью напряжения переключения, также изменяется направление намагниченности. Последнее можно записать и позже считать как данные (0 или 1). Вторая часть аббревиатуры МЭСО — спин-орбитальный — означает, что считывание и запись данных происходит с использованием эффекта переноса вращательного момента, используя для этого спин-орбитальный момент электронов. Логический элемент и память в одной элементарной структуре — это очень интересно!