Connect with us

Hi, what are you looking for?

Наука и технологии

Сложные оксиды могут питать компьютеры будущего

Поскольку эволюция стандартных микрочипов подходит к концу, ученые ищут революцию. Большие проблемы заключаются в разработке чипов, которые являются более энергоэффективными, и в разработке устройств, сочетающих память и логику (мемристоры). Материаловеды из Университета Гронингена, Нидерланды, в двух статьях описывают, как сложные оксиды можно использовать для создания очень энергоэффективных магнитоэлектрических спин-орбитальных (MESO) устройств и мемристивных устройств с уменьшенными размерами.

Развитие классических компьютеров на основе кремния приближается к своему пределу. Для достижения дальнейшей миниатюризации и снижения энергопотребления требуются различные типы материалов и архитектур.

Тамалика Банерджи, профессор спинтроники функциональных материалов в Институте перспективных материалов Зернике Гронингенского университета, изучает ряд квантовых материалов для создания этих новых устройств. «Наш подход заключается в изучении этих материалов и их интерфейсов, но всегда с прицелом на приложения, такие как память или сочетание памяти и логики».

Более эффективным

Группа Банерджи ранее продемонстрировала, как легированный титанат стронция можно использовать для создания мемристоров, сочетающих память и логику. Недавно они опубликовали две статьи об устройствах «вне КМОП», комплементарных полупроводниках на основе оксидов металлов, которые являются строительными блоками современных компьютерных микросхем.

Одним из кандидатов на замену CMOS является магнитоэлектрическое устройство с вращающейся орбитой (MESO), которое может быть в 10–30 раз более эффективным. Было исследовано несколько материалов на предмет их пригодности для создания такого устройства. Джоб ван Рейн, доктор философии. студент группы Banerjee, является первым автором статьи в Physical Review B , опубликованной в декабре 2022 года, в которой описывается, как манганат стронция ( сокращенно SrMnO 3 или SMO) может быть хорошим кандидатом для MESO-устройств.

«Это мультиферроидный материал, сочетающий в себе эффекты спинтроники и заряда», — объясняет ван Рейн. Спинтроника основана на вращении ( магнитном моменте ) электронов.

Банерджи говорит: «Магнитное и зарядовое упорядочение в этом материале связаны, поэтому мы можем переключать магнетизм с помощью электрического поля и поляризацию с помощью магнитного поля». И, что немаловажно, эти эффекты присутствуют при температурах, близких к комнатной. Ван Рейн исследует сильную связь между двумя эффектами. «Мы знаем, что ферромагнетизм и сегнетоэлектричество можно настроить, натянув тонкую пленку SMO. Это напряжение было достигнуто путем выращивания пленок на разных подложках».

Напряжение

Ван Рейн изучает, как напряжение вызывает ферроэлектричество в материале и как оно влияет на магнитный порядок. Он проанализировал домены в напряженных пленках и заметил, что магнитные взаимодействия сильно зависят от кристаллической структуры и, в частности, от кислородных вакансий, которые изменяют предпочтительное направление магнитного порядка.

«Эксперименты по переносу спина приводят нас к выводу, что магнитные домены играют активную роль в устройствах, изготовленных из этого материала. Таким образом, это исследование является первым шагом в установлении потенциального использования манганата стронция для новых вычислительных архитектур».

14 февраля группа Банерджи опубликовала вторую статью об устройствах «вне CMOS» в журнале Advanced Electronic Materials . Кандидат наук. студентка Анук Гуссенс является первым автором этой статьи о миниатюризации мемристоров на основе титаната стронция, легированного ниобием (SrTiO 3 или STO). «Количество устройств на единицу площади поверхности имеет большое значение, — говорит Гуссенс. «Но некоторые типы мемристоров трудно масштабировать».

Ранее Гуссенс показал, что с помощью STO можно создавать устройства с «логикой в ​​​​памяти». Ее последняя статья показывает, что эти устройства можно уменьшить. Общая проблема с мемристорами заключается в том, что на их производительность негативно влияет миниатюризация. Удивительно, но изготовление мемристоров меньшего размера из STO увеличивает разницу между высоким и низким коэффициентом сопротивления.

«Мы изучили материал с помощью сканирующей просвечивающей электронной микроскопии и заметили наличие большого количества кислородных вакансий на границе между подложкой и электродом устройства», — говорит Гуссенс. «После того, как мы приложили электрическое напряжение, мы заметили движение кислородных вакансий, которое является ключевым фактором в управлении состояниями сопротивления».

Новый дизайн

Вывод состоит в том, что повышенная производительность является результатом краевых эффектов, которые могут плохо сказаться на обычной памяти. Но в STO усиленное электрическое поле на краях фактически поддерживает функцию мемристора. «В нашем случае край — это устройство», — заключает Гуссенс. «Кроме того, точные свойства зависят от количества легирования ниобием, поэтому материал можно настраивать для разных целей».

В заключение обе статьи, опубликованные группой, показывают путь к новым вычислительным архитектурам. Действительно, мемристоры STO вдохновили коллег Гуссенса и Банерджи из Института математики, компьютерных наук и искусственного интеллекта имени Бернулли Гронингенского университета и CogniGron (Гронингенский центр когнитивных систем и материалов), которые уже придумали новый дизайн архитектуры памяти.

«Это именно то, ради чего мы работаем», — говорит Банерджи. «Мы хотим понять физику материалов и то, как работают наши устройства, а затем разработать приложения». Гусенс: «Мы предполагаем несколько приложений, и одно из них, которое мы рассматриваем, — это генератор случайных чисел, который работает без алгоритма, и поэтому его невозможно предсказать».

Сложные оксиды могут питать компьютеры будущего

Теги: суперкомпьютер

В тренде