A mágneses logika változtatható chipeket tesz lehetővé

A szoftver képes átalakítani a számítógépet szövegszerkesztőből számtörővé videotelefonná. De a mögöttes hardver változatlan. Mára egy olyan tranzisztorfajta, amely elektromosság helyett mágnessel kapcsolható, az áramköröket is alakíthatóvá teheti, ami hatékonyabb és megbízhatóbb eszközöket eredményezhet, az okostelefonoktól a műholdakig.

A tranzisztorok, az összes modern elektronika középpontjában álló egyszerű kapcsolók, általában kis feszültséget használnak a „be” és a „off” közötti váltáshoz. A feszültségmegközelítés rendkívül megbízható és könnyen miniatürizálható, de vannak hátrányai. Először is, a feszültség fenntartása áramot igényel, ami megnöveli a mikrochip energiafogyasztását. Másodszor, a tranzisztorokat be kell kötni a chipekbe, és nem lehet újrakonfigurálni, ami azt jelenti, hogy a számítógépeknek minden funkciójukhoz dedikált áramkörre van szükségük.

A dél-koreai szöuli Koreai Tudományos és Technológiai Intézet (KIST) kutatócsoportja kifejlesztett egy áramkört, amely megkerülheti ezeket a problémákat. A Nature honlapján január 30-án közzétett cikkben ismertetett eszköz mágnesesség segítségével szabályozza az elektronok áramlását az indium-antimonid félvezető anyag kicsiny hídján (S. Joo et al. Nature http://dx. doi.org/10.1038/nature11817; 2013). Ez „új és érdekes csavar a logikai kapu megvalósításában” – mondja Gian Salis, az IBM svájci zürichi kutatólaboratóriumának fizikusa.

A hídnak két rétege van: egy alsó fedélzeten túl sok pozitív töltésű lyuk és egy felső fedélzeten, amely túlnyomórészt negatív töltésű elektronokkal van tele. Az indium-antimonid szokatlan elektronikus tulajdonságainak köszönhetően a kutatók egy merőleges mágneses tér segítségével szabályozhatják az elektronok áramlását a hídon. Amikor egy irányba állítják a mezőt, az elektronok elterelődnek a pozitív alsó fedélzetről, és szabadon áramlanak. Amikor a mágneses mezőt megfordítják, az elektronok az alsó fedélzetbe ütköznek, és újra egyesülnek a lyukakkal – hatékonyan kikapcsolva a kapcsolót (lásd: „Mágneses zár”).

A mágneses logikai kapu azon képessége, hogy feszültség nélkül be- vagy kikapcsolja a kapcsolót, „nagymértékben csökkentheti az energiafogyasztást” – mondja a tanulmány társszerzője, Jin Dong Song, a KIST fizikusa. Még ennél is lenyűgözőbb, hogy a mágneses kapcsolók „szoftverként kezelhetők” – mondja – egyszerűen át kell fordítani a mezőt az áramkör engedélyezéséhez vagy letiltásához. Így például egy mobiltelefon átprogramozhatja a mikroáramkörét, hogy videót dolgozzon fel, miközben a felhasználója egy klipet nézett a YouTube-on, majd visszakapcsolhatja a chipet jelfeldolgozásra, hogy telefonhívást fogadhasson. Ez nagymértékben csökkentheti a telefon belsejében szükséges áramkörök mennyiségét.
Az ilyen újrakonfigurálható logika felbecsülhetetlen értékű lehet a műholdakban – teszi hozzá Mark Johnson, a washingtoni Naval Research Laboratory munkatársa, a tanulmány társszerzője. Ha egy chip egy része meghibásodik a pályán, egyszerűen át lehet programozni egy másik szektort, hogy átvegye az irányítást. „Meggyógyítottad az áramkört, és a Földről tetted” – mondja.
A mágneses logikát azonban ahhoz, hogy valóban felfogjuk, integrálni kell a meglévő szilícium alapú technológiákba. Ez nem lehet könnyű. Egyrészt Junichi Murota, a japán Tohoku Egyetem nanoelektronikával foglalkozó kutatója szerint az indium-antimonid, az áramkörök döntő fontosságú félvezetője nem alkalmas a modern elektronika gyártásához használt gyártási eljárásokra. Johnson azonban azt mondja, hogy végül lehetséges lehet hasonló hidakat építeni szilíciummal.

Az eszközök vezérléséhez szükséges miniatűr mágnesek normál chipbe történő integrálása sem lenne egyszerű. A vállalatoknak meg kell tudniuk oldani ezeket a kihívásokat, de csak akkor, ha úgy döntenek, hogy megérik az eszközöket, mondja Salis. Hozzáteszi, jelenleg nem világos, hogy a készülékek jól teljesítenek-e a praktikus chiphez szükséges méretekben – sokkal kisebb, mint a prototípusok mikrométeres méretei.

Johnson azonban megjegyzi, hogy a mágnesesség már most kezd elterjedni az áramkörök tervezésében: egyes fejlett eszközök a véletlen elérésű memória mágneses változatát kezdik használni, egy olyan típusú memóriát, amelyet a történelem során csak hagyományos tranzisztorokkal építettek. „Azt hiszem, már folyamatban van egy váltás” – mondja.