Jotta elektroniikan ja tietotekniikan toimintanopeutta voitaisiin nopeuttaa tutkijat ja alan teollisuus etsivät vaihtoehtoisia tekniikoita. Teksasin yliopiston professori Kyeongjae Choin ryhmän tutkimus saattaa tarjota ratkaisun laajentamalla transistorin bittivariaatiota.
Yksi tapa parantaa prosessointikapasiteettia transistoreita lisäämättä olisi ottaa käyttöön niin sanottu moniarvoinen looginen transistori. Se mahdollistaisi useampien toimintojen ja suuremman informaation määrän käsittelyn yhdellä piirillä.
Moniarvoisten loogisten transistorien käsite ei ole uusi ja niitä on yritetty tehdä aiemminkin. Nyt Choin ryhmä on kehittänyt teorian, suunnittelun ja simulaatioiden avulla sinkkioksidiin perustuvan moniarvoisen logiikkatransistorin perusfysiikan.
Chon rakenne pystyy käyttämään kahta elektronisesti vakaata ja luotettavaa välitilaa välillä 0 ja 1, mikä lisää loogisten arvojen määrää transistoria kohti kahdesta kolmeen tai neljään.
Kehitetty teknologia on sinkkioksidin kahden muodon uudenlainen yhdistelmä. Siitä muodostuu komposiittinen nanolanka, joka yhdistetään sitten muiden materiaalien kerroksiin superhilassa. Logiikka- ja muistilaitteet, kuten tietokoneiden kiintolevyt, käyttävät nykyään nanomagneettisia mekanismeja informaation tallentamiseen ja käsittelyyn.
Yleensä magnetismia ohjataan sähkövirralla, joka kuljettaa spiniä mutta siihen liittyy yleensä sitä kuljettava sähkövaraus mutta se aiheuttaa merkittäviä lämpö- ja energiahäviötä.
Spin voidaan kuitenkin kuljettaa ilman varausta topologisella eristeellä - materiaalilla, jonka sisäpuoli eristää, mutta joka voi tukea elektronien virtausta sen pinnalla. New Yorkin yliopiston tutkijat julkaisivat tutkimuspaperin jänniteohjatusta topologisesta spin-kytkimestä (VTOPSS), joka vaatii vain sähkökenttiä vaihtamaan kahden Boolen logiikan tilan välillä.
Tekniikka vähentää merkittävästi tuotettua lämpöä ja käytettyä energiaa. Nykymenettelyn tehottomuutta lisää myös se, että laskentaa ja tallennusta ei ole integroitu toisiinsa.
Vaikka heterorakenteiset laitteet ovat edelleen hieman hitaampia kuin piitransistorit, vTOPSS lisää toiminnallisuutta ja piirien suunnittelumahdollisuuksia, koska siinä logiikka ja haihtumaton muisti integroituvat hyvin.
Rakenne hyödyntää topologista eristettä, jolla on paras tehokkuus spinmomentin muuntoon sähkökentällä. Se myös toimii huonelämpötilassa ja matalan momentin magneettisessa eristeessä, joka voi reagoida nopeasti tiettyyn spinmomenttiin.
Verrattuna olemassa oleviin spinpohjaisiin piireihin, kuten täysin spiniin perustuvaan logiikkaan ja varaus-spin-logiikkaan, VTOPSS tarjoaa 10 - 70 kertaa pienemmän energiahäviön.
Tutkijat pystyivät osoittamaan, että VTOPSS:n energiatekijä voidaan laskea muutamaan attojouleen bittiä kohden.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 7.6.2019
