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Mehr Rechenleistung für die Computer der Zukunft
Wissenschaftler des Paul Scherrer Instituts (PSI) und der ETH Zürich sind der Herstellung von Spintronic-Elementen auf der Basis von Prozessen, die in der CMOS-Mikrochip-Produktion eingesetzt werden, einen grossen Schritt näher gekommen. Sogenannte «Domain Wall Logic»-Schaltkreise können magnetische Informationen(Bits) direkt in der Schaltung speichern.
Eine solche Logik-in-Speichereinheit hat die Eigenschaft, dass es nach einem Stromausfall genau in demjenigen Zustand wieder anläuft, welchen es vor dem Stromausfall hatte; und kann somit unmittelbar mit dem Prozess weiterfahren, welcher zum Zeitpunkt des Stromausfalls lief. Dies ist äußerst vorteilhaft, wenn die Stromversorgung unzuverlässig ist oder ausgeschaltet wird, um Energie zu sparen - wie es bei vielen IoT-Anwendungen der Fall ist.
Das von den Professoren Gambardella und Heyderman geführte Team präsentierte einen funktionierenden Proof-of-Concept eines sog. "Adder" Schaltkreises auf Basis einer «Domain Wall Logic», der Speicher- und Logik-Vorgänge in einem einzigen Schaltkreis zusammenführt. Dies öffnet die Tür zu einer weiteren Steigerung der Rechenkapazität unserer Computer in der Zukunft.
Ein Team mit Zhaochu Luo, Ales Hrabec, Pietro Gambardella und Laura Heyderman arbeitet daran, Elektronen-Spin-Zustände zu nutzen, um Informationen in sehr kleinen magnetisierten Bereichen (Domänen) zu speichern. Im Jahr 2019 demonstrierten sie einen "lateral-chiralen Kopplungseffekt" in bestimmten Materialien und konnten aufzeigen, dass das Umschalten einer Domäne automatisch das Magnetfeld der benachbarten magnetischen Domänen umdreht.
Ein wesentlicher nächster Schritt von Zhaochu Luo war die Übertragung dieses Effekts auf sich bewegende magnetisierte Domänen. Es ist möglich, magnetische "Domain-Walls" mit Hilfe eines elektrischen Stroms entlang eines Nanodrahts zu verschieben; dies eröffnet die Möglichkeit von hochdichten und nicht-volatilen Datenspeichern. Die Nutzung der in magnetischen "Domain-Walls" gespeicherten Informationen für logische Operationen war jedoch bis anhin nicht praktikable .
Die Gruppe hat inzwischen gezeigt, dass wenn magnetischen Domänen über Ihre spezielle präparierten Bereiche, in denen die "laterale chirale Kopplung" stattfindet, bewegt werden die Magnetfelder invertieren. Dieses vollelektrische "Domain-Walls"-Äquivalent eines Standard-Logik-NOT-Gatters zeigte, dass Prozesse, die direkt auf gespeicherten Bits ausgeführt werden, möglich sind. Zudem basiert diese Technologie auf der Grundlage von Standard-CMOS-Produktionsprozessen und ist potenziell skalierbar.
Direkt a diesem Erfolg anknüpfend konstruierten Zhaochu Luo und Ales Hrabec ein NAND-Gatter – ein Grundbaustein jeder weiteren logischen Schaltung. Sie waren begeistert, als sie sahen, dass es gleich beim ersten Versuch funktionierte. Danach fuhren sie mit dem Bau eines funktionsfähigen Volladdierers aus 15 NAND-Gattern fort. Die Realisierung der NAND-Gatter und des Addierers zeigt, dass diese Schaltungen funktionell vollständig sind und dass die Gatter kaskadiert werden können, was eine Grundvoraussetzung für den Bau aller elektronischen Logikbausteine ist. Die Ergebnisse werden patentiert und sind in der Zeitschrift Nature veröffentlicht: Luo, Z., Hrabec, A., Dao, T.P. u.a. Stromgetriebene magnetische Domänen-Wand-Logik. Natur 579, 214-218 (2020).