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替代CMOS,IMEC和英特尔携手开发了一款新器件

2021-01-13
来源:半导体行业观察

  Spintronics是寻求超越CMOS未来的一条新路径。在当今的电子设备利用电子电荷的地方,自旋电子学具有另一个关键特性:电子的自旋,即其固有的角动量,其指向“上”或“下”。自旋电子器件比CMOS器件耗电少得多,即使关闭电源,它们也可以保留其数据。

  自旋已在内存中使用,例如磁阻RAM(MRAM)。但是,为了执行逻辑运算而操纵微小的磁效应更加困难。例如,在2018年,麻省理工学院的研究人员做把氢离子作为自旋电子晶体管的尝试。他们的努力是非常初步的。该团队 承认,要开发出能够存储和处理信息的功能齐全的自旋电子晶体管,还有很长的路要走。

  现在,由博士学位候选人Eline Raymenants领导的imec和Intel的研究人员 已经创建了一种自旋电子逻辑器件,该器件可以用电流而不是磁场进行完全控制。Intel-imec团队在最近的IEEE国际电子设备会议(IEDM)上介绍了其工作。

  电子的自旋产生磁矩。当许多具有相同自旋的电子靠在一起时,它们的磁矩可以对齐并合力以形成更大的磁场。这样的区域称为magnetic domain,并且domains之间的边界称为domain walls。一种材料可以包括许多这样的domain和domain walls,它们像磁化的马赛克一样组装。

  设备可以在这些域中对0和1进行编码。指向“上”的域可能表示0,其中“下”是1。Intel-imec的设备把domain放置在纳米级线的single-file的line中。然后,该设备使用电流沿导线移动这些区域及其壁,就像沿着火车轨道上的汽车一样。

  轨道在磁性隧道结( magnetic tunnel junctionMTJ)处与switch相交。它类似于当今硬盘的读取头,但是研究人员已经实现了一种新型的MTJ,该MTJ经过优化可以更快地移动domain walls。MTJ从轨道读取信息并充当逻辑输入。在IEDM上,研究人员提出了一种概念证明:几个MTJ相当于与门。

  同样的MTJ也是将信息写入磁道的地方。为此,Intel-imec设备使用与当今MRAM中相同的技术。该器件通过自旋极化电流-大多数电子在一个方向上自旋-通过magnetic domain。该电流可以重新排列磁场的方向,从而在此过程中创建或编辑domain walls。

  它类似于racetrack存储器,这是十年前首次提出的一种实验性数据存储形式。racetrack存储器还将信息写入magnetic domains ,并使用电流沿纳米线或“racetrack”将这些magnetic domains穿梭(shuttle)。但是,Intel-imec设备利用了材料方面的优势,使domain walks可以更快地沿线向下移动。研究人员说,这是允许逻辑的关键。

  imec的研究人员Van Dai Nguyen表示,到目前为止,研究人员主要集中在优化这些材料上。

  Intel-imec团队并不孤单。2020年初,苏黎世联邦理工学院的研究人员使用domain walls逻辑创建了逻辑门。麻省理工学院的研究人员最近还展示了一种基于domain walls的人工神经元。像Intel-imec研究人员和racetrack存储器一样,这些设备还使用电流将domain向下移动。

  但是,苏黎世和麻省理工学院的设备依靠磁场来写入信息。对于逻辑,这不是理想的。imec的研究人员Iuliana Radu说:“如果构建逻辑电路,您将不会放……一块巨大的磁铁,您可以改变方向或打开或关闭以实现逻辑。” Radu说,完全的电气控制也将允许将Intel-imec设备连接到CMOS电路。

  研究人员说,他们的下一步将是展示其装置的实际作用。他们设计了一个多数门,如果大多数输入为正,则返回正结果。但是,Radu说,他们还没有真正探索这种设计。只有到那时,研究人员才能知道他们的自旋电子学逻辑将如何与CMOS建立相抗衡。

 

 


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