Değişken çipler için manyetik mantık

Yazılım, bir bilgisayarı bir kelime işlemciden bir sayı kırıcıya, bir video telefona dönüştürebilir. Ancak temel donanım değişmez. Şimdi, elektrik yerine manyetizma ile değiştirilebilen bir transistör türü, devreyi de dövülebilir hale getirebilir ve akıllı telefonlardan uydulara kadar daha verimli ve güvenilir araçlara yol açabilir.

Tüm modern elektroniklerin kalbindeki basit anahtarlar olan transistörler, "açık" ve "kapalı" arasında geçiş yapmak için genellikle küçük bir voltaj kullanır. Voltaj yaklaşımı oldukça güvenilirdir ve minyatürleştirilmesi kolaydır, ancak dezavantajları vardır. İlk olarak, voltajı açık tutmak, mikroçipin enerji tüketimini artıran güç gerektirir. İkinci olarak, transistörler çiplere sabit olarak bağlanmalıdır ve yeniden yapılandırılamaz, bu da bilgisayarların tüm işlevleri için özel devrelere ihtiyaç duyduğu anlamına gelir.

Güney Kore, Seul'deki Kore Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (KIST) merkezli bir araştırma grubu, bu sorunları aşabilecek bir devre geliştirdi. Nature's web sitesinde 30 Ocak'ta yayınlanan bir makalede açıklanan cihaz, yarı iletken malzeme indiyum antimonidin küçük bir köprüsü boyunca elektron akışını kontrol etmek için manyetizma kullanıyor (S. Joo ve diğerleri. Nature http://dx. doi.org/10.1038/nature11817; 2013). IBM'in İsviçre'deki Zürih Araştırma Laboratuvarı'nda fizikçi olan Gian Salis, bunun “mantık kapısının nasıl uygulanacağına dair yeni ve ilginç bir bükülme” olduğunu söylüyor.

Köprünün iki katmanı vardır: fazla pozitif yüklü deliklere sahip bir alt güverte ve ağırlıklı olarak negatif yüklü elektronlarla dolu bir üst güverte. İndiyum antimonidin olağandışı elektronik özellikleri sayesinde araştırmacılar, dikey bir manyetik alan kullanarak köprü boyunca elektron akışını kontrol edebilirler. Alanı bir yöne ayarladıklarında, elektronlar pozitif alt güverteden yönlendirilir ve serbestçe akar. Manyetik alan ters çevrildiğinde, elektronlar alt güverteye çarpar ve deliklerle yeniden birleşir ve düğmeyi etkin bir şekilde kapatarak yeniden birleşir (bkz. “Manyetik kilit”).

KIST'te fizikçi olan çalışmanın ortak yazarı Jin Dong Song, manyetik bir mantık kapısının anahtarı voltaj olmadan açık veya kapalı tutma yeteneğinin “enerji tüketiminde büyük düşüşe yol açabileceğini” söylüyor. Daha da etkileyici bir şekilde, manyetik anahtarlar, bir devreyi etkinleştirmek veya devre dışı bırakmak için alanı çevirerek “yazılım gibi ele alınabilir” diyor. Böylece bir cep telefonu, örneğin, kullanıcısı YouTube'da bir klip izlerken videoyu işlemek için mikro devresinin bir kısmını yeniden programlayabilir ve ardından bir telefon görüşmesi yapmak için çipi tekrar sinyal işlemeye geçirebilir. Bu, telefonun içinde ihtiyaç duyulan devre hacmini büyük ölçüde azaltabilir.
Makalenin ortak yazarlarından Washington DC'deki Deniz Araştırma Laboratuvarı'ndan Mark Johnson, bu tür yeniden yapılandırılabilir mantığın uydularda çok değerli olabileceğini ekliyor. Bir çipin parçası yörüngede başarısız olursa, başka bir sektör devralmak için yeniden programlanabilir. “Devreyi iyileştirdin ve bunu Dünya'dan yaptın” diyor.
Bununla birlikte, gerçekten yakalamak için manyetik mantığın mevcut silikon bazlı teknolojilerle entegre edilmesi gerekir. Bu kolay olmayabilir. Birincisi, Japonya'daki Tohoku Üniversitesi'nde nanoelektronik ile çalışan bir araştırmacı olan Junichi Murota'ya göre, devreler için çok önemli olan yarı iletken olan indiyum antimonid, modern elektronik yapmak için kullanılan üretim süreçlerine pek uygun değil. Ancak Johnson, sonunda silikonla benzer köprüler inşa etmenin mümkün olabileceğini söylüyor.

Cihazları kontrol etmek için gereken minyatür mıknatısları normal bir çipe entegre etmek de kolay olmayacaktı. Salis, şirketlerin bu zorlukları ancak cihazların değerli olduğuna karar verirlerse çözebilmeleri gerektiğini söylüyor. Şu anda, cihazların, prototiplerin mikrometre boyutlarından çok daha küçük olan pratik bir çip için gereken boyutlarda iyi performans gösterip göstermeyecekleri net değil.

Ancak Johnson, manyetizmanın devre tasarımında zaten yakalandığını belirtiyor: bazı gelişmiş cihazlar, tarihsel olarak yalnızca geleneksel transistörlerle oluşturulmuş bir bellek türü olan rastgele erişimli belleğin manyetik bir versiyonunu kullanmaya başlıyor. “Sanırım bir vardiya şimdiden yolda” diyor.