Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Eine neue Dimension für integrierte Schaltkreise: Nanomagnetische Logik in 3D

30.09.2014

Feldgekoppelte Magnete könnten in manchen Computerchips Transistoren ersetzen

Elektroingenieure der Technischen Universität München (TUM) haben einen neuartigen Funktionsbaustein für digitale integrierte Schaltkreise vorgestellt. Ihre Experimente zeigen, dass Computerchips künftig auf dreidimensionalen Anordnungen von Nanomagneten statt auf Transistoren basieren könnten.


Magnetrasterkraftmikroskopieaufnahme eines magnetischen 3D Mehrheitsgatters. Sichtbar werde die Magnetisierungszustände dreier Eingangs- und eines Ausgangs-magneten. Bild: I. Eichwald/TUM

Nachdem die wichtigste Technologie der Halbleiterindustrie – die CMOS-Herstellung auf Siliziumchips – an grundlegende Grenzen stößt, erkunden die TUM-Forscher, zusammen mit Partnern von der Universität von Notre Dame, “magnetische Computer“ als Alternative. Ihre jüngsten Ergebnisse veröffentlichten sie in der Zeitschrift Nanotechnology.

Die Forscher haben in einem 3D-Stapel von Nanomagneten ein sogenanntes majority logic gate implementiert, das als programmierbares Gatter in digitalen Schaltkreisen eingesetzt werden könnte. Für das zu Grunde liegende Prinzip bieten sie eine anschauliche Erklärung: Man stelle sich das Verhalten zweier Stabmagnete vor. Wenn man diese einander annähert, ziehen sich entgegengesetzte Pole an und gleiche Pole stoßen sich ab. Nimmt man mehrere Stabmagnete, die alle bis auf einen eine feste Position einnehmen, lassen sich als ein einziges koppelndes Feld annehmen, wobei die „Nord-Süd“-Polarität des beweglichen Magneten folglich von der Orientierung der Mehrzahl der fixierten Magnete bestimmt wird.     
 
Aus feldgekoppelten Nanomagneten hergestellte Logik-Gatter funktionieren analog. Die Umkehrung der Polarität entspricht dem Umschalten zwischen Boolschen Logikzuständen, den binären Ziffern 1 und 0. In dem von den Wissenschaftlergruppen vorgestellten 3D majority gate wird der Zustand des Bauelements von drei Eingangsmagneten bestimmt, von denen einer 60 Nanometer unter den beiden anderen positioniert ist. Ausgelesen wird der Zustand über einen einzelnen Ausgangsmagneten.

Ein weiterer Meilenstein in einer Serie von Fortschritten

Diese Ergebnisse wären nicht möglich gewesen ohne Techniken, welche sich die Partner in jahrelanger Forschung erarbeitet haben. Sie reichen von ausgeklügelten Simulationen des Magnetverhaltens bis hin zu innovativen Herstellungs- und Messtechniken. Die jüngsten Ergebnisse sind nicht als Abschluss, sondern als ein weiterer Meilenstein in einer Reihe von Fortschritten zu sehen.

Beispielsweise stellte die Forschergruppe auf dem International Electron Devices Meeting 2013 das weltweit erste „Domänenwandgatter“ vor. Dabei ändern die Wissenschaftler mit Hilfe eines fokussierten Ionenstrahls die magnetischen Eigenschaften von exakt definierten Punkten auf dem Bauelement. Sogenannte Domänenwände, die so erzeugt werden, können unter dem Einfluss von angrenzenden Nanomagneten durch magnetische Leitungen hindurchfließen. TUM-Doktorand Stephan Breitkreutz erklärt, dass dieses 2D-Bauelement „ in magnetischen Schaltkreisen die Signalführung, Pufferung und Synchronisation ermöglicht, ähnlich wie Flipflops in elektrischen Schaltkreisen.“

Beachtung von Seiten der Industrie

Die weltweite Halbleiterindustrie erstellt regelmäßig branchenumfassende, langfristige Strategien oder Roadmaps, in der sie mögliche Wege aufzeigt, um gemeinsame technologische Ziele zu erreichen. In der jüngsten Ausgabe dieser International Technology Roadmap for Semiconductors wird in der bunten Palette neuer Forschungsthemen der nanomagnetischen Logik viel Beachtung geschenkt. Magnetische Schaltkreise sind nicht-flüchtig, das heißt sie bedürfen keiner Energie, um ihren Zustand zu wahren. Ihre wohl erfolgversprechendste Eigenschaft ist ihr extrem niedriger Energieverbrauch. Außerdem arbeiten die Bauelemente bei Raumtemperatur, und sie sind strahlungsresistent.

Besonders attraktiv ist die Möglichkeit, mehrere Gatter auf einen Chip zu packen. Die nanomagnetische Logik erlaubt aus verschiedenen Gründen sehr hohe Packungsdichten. Die einfachsten Bauelemente, also die einzelnen Nanomagnete, haben in etwa die Größe einzelner Transistoren. Aber während Transistoren zusätzlich noch Kontakte und Verdrahtung benötigen, arbeiten Nanomagnete lediglich über Feldkopplung. Vergleicht man CMOS-  und nanomagnetische Bauteile derselben Funktion – beispielsweise sogenannte Volladdierer – dann lässt sich die gleiche Funktionalität mit weit weniger Magneten als Transistoren realisieren.

Was die nanomagnetische Logik vor allem konkurrenzfähig macht, ist die Möglichkeit, sich vom Flächendesign zu lösen und auf platzsparende 3D-Anordnungen umzusteigen. Dazu TUM-Doktorandin Irina Eichwald, Hauptautorin des Nanotechnology-Papers: „Das 3D majority gate zeigt, dass magnetische Datenverarbeitung in allen drei Dimensionen genutzt werden kann, um monolithische, fortlaufend gestapelte Magnetschaltungen zu realisieren, die eine bessere Skalierbarkeit und höhere Packungsdichten ermöglichen.“ 

“Es ist schon eine Herausforderung, mit CMOS-Schaltungen zu konkurrieren,“ fügt Dr. Markus Becherer hinzu, Leiter der TUM-Forschungsgruppe am Lehrstuhl für Technische Elektronik. „Allerdings mag es Anwendungen geben, wo die Eigenschaften von nanomagnetischen 3D-Schaltungen, also der stabile und extrem energiearme Betrieb sowie die hohe Integrationsdichte, von Vorteil sind. “ 

Diese Forschung wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Publikationen:
Majority logic gate for 3D magnetic computing, Irina Eichwald, Stephan Breitkreutz, Grazvydas Ziemys, György Csaba, Wolfgang Porod, and Markus Becherer. Nanotechnology, 25 (2014) 335202, doi:10.1088/0957-4484/25/33/335202.

Domain Wall Gate for Magnetic Logic and Memory Applications with Perpendicular Anisotropy, S. Breitkreutz, G. Ziemys, I. Eichwald, J. Kiermaier, G. Csaba, W. Porod, D. Schmitt-Landsiedl, and M. Becherer. IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM 2013), pp. 22.4.1-22.4-4, doi:10.1109/IEDM.2013.6724684.

The 2014 Magnetism Roadmap, Robert L. Stamps, Stephan Breitkreutz, et al. J. Phys. D: Appl. Phys. 47 (2014) 333001. doi:10.1088/0022-3727/47/33/333001.

Weitere Informationen:
http://www.lte.ei.tum.de

Kontakt:
Dipl.-Ing. Irina Eichwald
Lehrstuhl für Technische Elektronik
Technische Universität München
Tel: +49 89 289 22923
irina.eichwald@tum.de

Dipl.-Ing. Stephan Breitkreutz
Lehrstuhl für Technische Elektronik
Technische Universität München
Tel: +49 89 289 22348
stephan.breitkreutz@tum.de

Dr.-Ing. Markus Becherer
Lehrstuhl für Technische Elektronik
Technische Universität München
Tel: +49 89 289 22915
markus.becherer@tum.de 

Technische Universität München (TUM), founded in 1868, is one of Europe’s leading international research universities, with around 500 professors, 10,000 academic and non-academic staff, and 36,000 students. Its focus areas are the engineering sciences, natural sciences, life sciences and medicine, reinforced by schools of management and education. TUM acts as an entrepreneurial university that promotes talents and creates value for society. In that it benefits from having strong partners in science and industry. It is represented worldwide with a campus in Singapore as well as offices in Beijing, Brussels, Cairo, Mumbai, and São Paulo. A large number of Nobel Prize winners and inventors such as Rudolf Mössbauer, Rudolf Diesel and Carl von Linde have done research at TUM. In 2006 and 2012 it won special recognition as a German "Excellence University." In international rankings, it regularly places at the top among the universities in Germany. www.tum.de

Stephan Breitkreutz | Technische Universität München

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Ruckartige Bewegung schärft Röntgenpulse
28.07.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

nachricht Drei Generationen an Sternen unter einem Dach
27.07.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Ruckartige Bewegung schärft Röntgenpulse

Spektral breite Röntgenpulse lassen sich rein mechanisch „zuspitzen“. Das klingt überraschend, aber ein Team aus theoretischen und Experimentalphysikern hat dafür eine Methode entwickelt und realisiert. Sie verwendet präzise mit den Pulsen synchronisierte schnelle Bewegungen einer mit dem Röntgenlicht wechselwirkenden Probe. Dadurch gelingt es, Photonen innerhalb des Röntgenpulses so zu verschieben, dass sich diese im gewünschten Bereich konzentrieren.

Wie macht man aus einem flachen Hügel einen steilen und hohen Berg? Man gräbt an den Seiten Material ab und schüttet es oben auf. So etwa kann man sich die...

Im Focus: Abrupt motion sharpens x-ray pulses

Spectrally narrow x-ray pulses may be “sharpened” by purely mechanical means. This sounds surprisingly, but a team of theoretical and experimental physicists developed and realized such a method. It is based on fast motions, precisely synchronized with the pulses, of a target interacting with the x-ray light. Thereby, photons are redistributed within the x-ray pulse to the desired spectral region.

A team of theoretical physicists from the MPI for Nuclear Physics (MPIK) in Heidelberg has developed a novel method to intensify the spectrally broad x-ray...

Im Focus: Physiker designen ultrascharfe Pulse

Quantenphysiker um Oriol Romero-Isart haben einen einfachen Aufbau entworfen, mit dem theoretisch beliebig stark fokussierte elektromagnetische Felder erzeugt werden können. Anwendung finden könnte das neue Verfahren zum Beispiel in der Mikroskopie oder für besonders empfindliche Sensoren.

Mikrowellen, Wärmestrahlung, Licht und Röntgenstrahlung sind Beispiele für elektromagnetische Wellen. Für viele Anwendungen ist es notwendig, diese Strahlung...

Im Focus: Physicists Design Ultrafocused Pulses

Physicists working with researcher Oriol Romero-Isart devised a new simple scheme to theoretically generate arbitrarily short and focused electromagnetic fields. This new tool could be used for precise sensing and in microscopy.

Microwaves, heat radiation, light and X-radiation are examples for electromagnetic waves. Many applications require to focus the electromagnetic fields to...

Im Focus: Navigationssystem der Hirnzellen entschlüsselt

Das menschliche Gehirn besteht aus etwa hundert Milliarden Nervenzellen. Informationen zwischen ihnen werden über ein komplexes Netzwerk aus Nervenfasern übermittelt. Verdrahtet werden die meisten dieser Verbindungen vor der Geburt nach einem genetischen Bauplan, also ohne dass äußere Einflüsse eine Rolle spielen. Mehr darüber, wie das Navigationssystem funktioniert, das die Axone beim Wachstum leitet, haben jetzt Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) herausgefunden. Das berichten sie im Fachmagazin eLife.

Die Gesamtlänge des Nervenfasernetzes im Gehirn beträgt etwa 500.000 Kilometer, mehr als die Entfernung zwischen Erde und Mond. Damit es beim Verdrahten der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Internationaler Ferienkurs mit rund 600 Teilnehmern aus aller Welt

28.07.2017 | Veranstaltungen

10. Uelzener Forum: Demografischer Wandel und Digitalisierung

26.07.2017 | Veranstaltungen

Clash of Realities 2017: Anmeldung jetzt möglich. Internationale Konferenz an der TH Köln

26.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Firmen räumen bei der IT, Mobilgeräten und Firmen-Hardware am liebsten in der Urlaubsphase auf

28.07.2017 | Unternehmensmeldung

Dunkel war’s, der Mond schien helle: Nachthimmel oft heller als gedacht

28.07.2017 | Geowissenschaften

8,2 Millionen Euro für den Kampf gegen Leukämie

28.07.2017 | Förderungen Preise