Los investigadores de Intel Corp. y la Universidad de California, Berkeley, están mirando más allá de la tecnología actual de transistores y preparando el camino para un nuevo tipo de memoria y circuito lógico que algún día podría estar en cada computadora del planeta.
En un documento que aparece en línea el 3 de diciembre antes de su publicación en la revista Naturaleza , los investigadores proponen una forma de convertir tipos relativamente nuevos de materiales, materiales multiferroicos y topológicos, en dispositivos lógicos y de memoria que serán 10 a 100 veces más eficientes energéticamente que las mejoras previsibles para los microprocesadores actuales, que se basan en CMOS metal-óxido-semiconductor complementario.
La órbita de giro magnetoeléctrica o dispositivos MESO también incluirán cinco veces más operaciones lógicas en el mismo espacio que CMOS, continuando la tendencia hacia más cálculos por unidad de área, un principio central de la Ley de Moore.
Los nuevos dispositivos impulsarán tecnologías que requieren una potencia de cómputo intensa con un bajo consumo de energía, específicamente automóviles y drones autónomos altamente automatizados, los cuales requieren un número cada vez mayor de operaciones informáticas por segundo.
"A medida que CMOS se desarrolle hasta su madurez, básicamente tendremos opciones de tecnología muy poderosas que nos ayudarán. De alguna manera, esto podría continuar mejorando la computación para otra generación entera de personas", dijo el autor principal Sasikanth Manipatruni, quien lidera el desarrollo de hardwarepara el proyecto MESO en el grupo de Investigación de Componentes de Intel en Hillsboro, Oregon. MESO fue inventado por científicos de Intel, y Manipatruni diseñó el primer dispositivo MESO.
La tecnología de transistores, inventada hace 70 años, se usa hoy en día desde teléfonos celulares y electrodomésticos hasta autos y supercomputadoras. Los transistores barajan los electrones dentro de un semiconductor y los almacenan como bits binarios 0 y 1.
En los nuevos dispositivos MESO, los bits binarios son los estados de giro magnético hacia arriba y hacia abajo en un multiferroico, un material creado por primera vez en 2001 por Ramamoorthy Ramesh, profesor de ciencias e ingeniería de los materiales de la Universidad de Berkeley y de física y un seniorautor del artículo
"El descubrimiento fue que hay materiales en los que puedes aplicar un voltaje y cambiar el orden magnético del multiferroico", dijo Ramesh, quien también es científico de la facultad en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. "Pero para mí, '¿Qué haríamos?Qué hacer con estos multiferroicos? 'siempre fue una gran pregunta. MESO cierra esa brecha y proporciona una vía para que la informática evolucione "
en el Naturaleza documento, los investigadores informan que han reducido el voltaje necesario para la conmutación magnetoeléctrica multiferroica de 3 voltios a 500 milivoltios, y predicen que debería ser posible reducir esto a 100 milivoltios: un quinto a un décimo de lo requeridopor los transistores CMOS en uso hoy en día. Un voltaje más bajo significa un menor uso de energía: la energía total para cambiar un bit de 1 a 0 sería de una décima a una trigésima parte de la energía requerida por CMOS.
"Es necesario desarrollar una serie de técnicas críticas para permitir estos nuevos tipos de dispositivos informáticos y arquitecturas", dijo Manipatruni, quien combinó las funciones de los materiales magnetoeléctricos y de órbita giratoria para proponer MESO ". Estamos tratando de activaruna ola de innovación en la industria y la academia sobre cómo debería ser la próxima opción tipo transistor "
Internet de las cosas y AI
La necesidad de computadoras más eficientes en energía es urgente. El Departamento de Energía proyecta que, con la industria de chips de computadora que se espera se expanda a varios billones de dólares en las próximas décadas, el uso de energía por parte de las computadoras podría dispararse del 3 por ciento de todos los EE.UU.el consumo de energía hoy en día al 20 por ciento, casi tanto como el sector del transporte actual. Sin transistores con mayor eficiencia energética, la incorporación de computadoras en todo, el llamado Internet de las cosas, se vería obstaculizada. Y sin nueva ciencia y tecnología,Ramesh dijo que el liderazgo de los Estados Unidos en la fabricación de chips de computadora podría ser eclipsado por los fabricantes de semiconductores en otros países.
"Debido al aprendizaje automático, la inteligencia artificial y el IOT, el futuro hogar, el futuro automóvil, la futura capacidad de fabricación se verá muy diferente", dijo Ramesh, quien hasta hace poco era el director asociado de Energy Technologies en Berkeley Lab."Si usamos las tecnologías existentes y no hacemos más descubrimientos, el consumo de energía será grande. Necesitamos nuevos avances científicos".
El coautor de papel Ian Young, un doctorado de la Universidad de Berkeley, inició un grupo en Intel hace ocho años, junto con Manipatruni y Dmitri Nikonov, para investigar alternativas a los transistores, y hace cinco años comenzaron a centrarse en multiferroics y spin-Orbit materiales, los llamados materiales "topológicos" con propiedades cuánticas únicas.
"Nuestro análisis nos trajo a este tipo de material, magnetoeléctricos y todos los caminos condujeron a Ramesh", dijo Manipatruni.
Materiales multiferroicos y de órbita giratoria
Los multiferroicos son materiales cuyos átomos exhiben más de un "estado colectivo". En los ferromagnetos, por ejemplo, los momentos magnéticos de todos los átomos de hierro en el material están alineados para generar un imán permanente. En los materiales ferroeléctricos, por otro lado,Las cargas positivas y negativas de los átomos se compensan, creando dipolos eléctricos que se alinean en todo el material y crean un momento eléctrico permanente.
MESO se basa en un material multiferroico que consiste en bismuto, hierro y oxígeno BiFeO3 que es tanto magnético como ferroeléctrico. Su ventaja clave, dijo Ramesh, es que estos dos estados, magnético y ferroeléctrico, están unidos o acoplados,para que el cambio de uno afecte al otro. Al manipular el campo eléctrico, puede cambiar el estado magnético, que es crítico para MESO.
El avance clave vino con el rápido desarrollo de materiales topológicos con efecto de órbita giratoria, que permiten que el estado del multiferroico se lea de manera eficiente. En los dispositivos MESO, un campo eléctrico altera o voltea el campo eléctrico dipolo en todo el material, que altera o voltea los espines electrónicos que generan el campo magnético. Esta capacidad proviene del acoplamiento espín-órbita, un efecto cuántico en los materiales, que produce una corriente determinada por la dirección del espín electrónico.
En otro artículo que apareció a principios de este mes en Science Advances, UC Berkeley e Intel demostraron experimentalmente la conmutación magnética controlada por voltaje utilizando el material magnetoeléctrico bismuto-óxido de hierro BiFeO3, un requisito clave para MESO.
"Estamos buscando enfoques revolucionarios y no evolutivos para la informática en la era posterior a la CMOS", dijo Young. "MESO se basa en interconexiones de bajo voltaje y magnetoeléctricos de bajo voltaje, y aporta innovación en materiales cuánticos a la informática"
Otros coautores de la Naturaleza el papel es Chia-Ching Lin, Tanay Gosavi y Huichu Liu de Intel y Bhagwati Prasad, Yen-Lin Huang y Everton Bonturim de UC Berkeley. El trabajo fue apoyado por Intel.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Berkeley . Original escrito por Robert Sanders. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :