Stephan Breitkreutz et son équipe utilisent cet instrument de mesure auto-construit pour sonder le comportement de commutation des dispositifs nanomagnétiques. Crédit :U. Benz/TUM
Les ingénieurs électriciens de l'Université technique de Munich (TUM) ont démontré un nouveau type de bloc de construction pour les circuits intégrés numériques. Leurs expériences montrent que les futures puces informatiques pourraient être basées sur des arrangements tridimensionnels d'aimants à l'échelle nanométrique au lieu de transistors. Comme la principale technologie habilitante de l'industrie des semi-conducteurs - la fabrication CMOS de puces de silicium - approche des limites fondamentales, les chercheurs et collaborateurs du TUM à l'Université de Notre Dame explorent « l'informatique magnétique » comme alternative.
Ils rapportent leurs derniers résultats dans le journal Nanotechnologie .
Dans un empilement 3D de nano-aimants, les chercheurs ont mis en place une porte logique dite majoritaire, qui pourrait servir de commutateur programmable dans un circuit numérique. Ils expliquent le principe sous-jacent avec une illustration simple :Pensez à la façon dont les aimants en barre ordinaires se comportent lorsque vous les rapprochez les uns des autres, avec des pôles opposés s'attirant et comme des pôles se repoussant. Imaginez maintenant que vous rassemblez plusieurs barres magnétiques et que vous les maintenez toutes sauf une dans une position fixe. Leurs champs magnétiques peuvent être considérés comme étant couplés en un seul, et la polarité « nord-sud » de l'aimant qui est libre de basculer sera déterminée par l'orientation de la majorité des aimants fixes.
Les portes fabriquées à partir de nano-aimants couplés au champ fonctionnent de manière analogue, avec l'inversion de polarité représentant un basculement entre des états logiques booléens, les chiffres binaires 1 et 0. Dans le portail majoritaire 3D rapporté par l'équipe TUM-Notre Dame, l'état de l'appareil est déterminé par trois aimants d'entrée, dont l'un se trouve à 60 nanomètres sous les deux autres, et est lu par un seul aimant de sortie.
Le dernier d'une série d'avancées
Ce travail s'appuie sur les capacités que les collaborateurs ont développées sur plusieurs années, allant des simulations sophistiquées du comportement magnétique aux techniques de fabrication et de mesure innovantes. Il ne représente pas non plus un point final mais un jalon dans une série d'avancées.
Cette image montre des micrographies électroniques à balayage d'une porte logique majoritaire 3-D montrant l'échelle de la zone de calcul , avec des dimensions inférieures à 200 nanomètres, et, en coupe transversale, la position inférieure du troisième aimant d'entrée. Crédit :I. Eichwald/TUM
Par exemple, ils ont signalé la première "porte de mur de domaine" au monde lors de la réunion internationale des dispositifs électroniques de l'année dernière. Les scientifiques utilisent une irradiation focalisée par faisceau d'ions pour modifier les propriétés magnétiques de points bien définis sur l'appareil. Ce que l'on appelle les murs de domaine générés là-bas sont capables de circuler à travers des fils magnétiques sous le contrôle des nano-aimants environnants. Cet appareil 2D, Le doctorant TUM Stephan Breitkreutz explique :"permet le routage du signal, mise en mémoire tampon, et synchronisation dans les circuits magnétiques, similaire aux verrous dans les circuits électriques intégrés.
Une fourchette dans la feuille de route de l'industrie
Tous les acteurs du secteur des semi-conducteurs bénéficient d'un effort de coopération à l'échelle de l'industrie :développer des « feuilles de route » à long terme qui tracent des voies potentielles vers des objectifs technologiques communs. Dans le dernier numéro de la Feuille de route technologique internationale pour les semi-conducteurs, La logique nanomagnétique est sérieusement prise en compte parmi un zoo diversifié de « dispositifs de recherche émergents ». Les circuits magnétiques sont non volatils, ce qui signifie qu'ils n'ont pas besoin d'alimentation pour se rappeler dans quel état ils se trouvent. Une consommation d'énergie extrêmement faible est l'une de leurs caractéristiques les plus prometteuses. Ils peuvent également fonctionner à température ambiante et résister aux rayonnements.
Le potentiel d'emballer plus de portes sur une puce est particulièrement important. La logique nanomagnétique peut permettre un emballage très dense, pour plusieurs raisons. Les blocs de construction les plus élémentaires, les nano-aimants individuels, sont de taille comparable à des transistors individuels. Par ailleurs, où les transistors nécessitent des contacts et du câblage, les nano-aimants fonctionnent uniquement avec des champs de couplage. Aussi, dans la construction de dispositifs CMOS et nanomagnétiques qui ont la même fonction - par exemple, un soi-disant additionneur complet - il peut prendre moins d'aimants que de transistors pour faire le travail.
Finalement, le potentiel de sortir de l'espace de conception 2D avec des piles de dispositifs 3D rend la logique nanomagnétique compétitive. Doctorante TUM Irina Eichwald, auteur principal de la Nanotechnologie papier, explique :« La porte majoritaire 3D démontre que l'informatique magnétique peut être exploitée dans les trois dimensions, afin de réaliser monolithique, circuits magnétiques empilés séquentiellement promettant une meilleure évolutivité et une densité d'emballage améliorée."
« C'est un grand défi de rivaliser avec les circuits CMOS en silicium, " ajoute le Dr Markus Becherer, chef du groupe de recherche TUM au sein de l'Institut d'électronique technique. "Toutefois, il peut y avoir des applications où le non volatile, le fonctionnement à très faible consommation d'énergie et la densité d'intégration élevée offerte par les circuits nanomagnétiques 3D leur confèrent un avantage."
