Magnetna logika ustvarja spremenljive čipe

Programska oprema lahko pretvori računalnik iz urejevalnika besedil v drobilnik številk v video telefon. Toda osnovna strojna oprema je nespremenjena. Zdaj bi lahko vrsta tranzistorja, ki ga je mogoče preklopiti z magnetizmom namesto z elektriko, naredila tudi vezje prilagodljivo, kar bi vodilo do učinkovitejših in zanesljivejših pripomočkov, od pametnih telefonov do satelitov.

Tranzistorji, preprosta stikala v središču vse sodobne elektronike, na splošno uporabljajo majhno napetost za preklapljanje med ‘on’ in ‘off’. Napetostni pristop je zelo zanesljiv in ga je enostavno miniaturizirati, vendar ima svoje pomanjkljivosti. Prvič, za ohranjanje napetosti je potrebna moč, ki poveča porabo energije mikročipa. Drugič, tranzistorji morajo biti ožičeni v čipih in jih ni mogoče ponovno konfigurirati, kar pomeni, da računalniki potrebujejo namenska vezja za vse svoje funkcije.

Raziskovalna skupina s sedežem na Korejskem inštitutu za znanost in tehnologijo (KIST) v Seulu v Južni Koreji je razvila vezje, ki lahko zaobide te težave. Naprava, opisana v prispevku, objavljenem na spletni strani Nature 30. januarja, uporablja magnetizem za nadzor pretoka elektronov čez majhen most iz polprevodniškega materiala indijevega antimonida (S. Joo et al. Nature http://dx. doi.org/10.1038/nature11817; 2013). Gre za »nov in zanimiv preobrat, kako implementirati logična vrata«, pravi Gian Salis, fizik iz IBM-ovega raziskovalnega laboratorija v Zürichu v Švici.

Most ima dve plasti: spodnjo palubo s presežkom pozitivno nabitih lukenj in zgornjo palubo, napolnjeno pretežno z negativno nabitimi elektroni. Zahvaljujoč nenavadnim elektronskim lastnostim indijevega antimonida lahko raziskovalci nadzorujejo pretok elektronov čez most z uporabo pravokotnega magnetnega polja. Ko nastavijo polje v eno smer, se elektroni odmaknejo od pozitivnega spodnjega krova in prosto tečejo. Ko se magnetno polje obrne, se elektroni zaletijo v spodnji palubi in se ponovno združijo z luknjami — učinkovito izklopijo stikalo (glejte ‘Magnetna ključavnica’).

Sposobnost magnetnih logičnih vrat, da zadržijo stikalo vklopljeno ali izklopljeno brez napetosti, "lahko privede do velikega zmanjšanja porabe energije", pravi soavtor študije Jin Dong Song, fizik pri KIST. Še bolj impresivno je, da magnetna stikala "lahko ravnamo kot programsko opremo", pravi, tako da preprosto obrnete polje, da omogočite ali onemogočite vezje. Tako lahko mobilni telefon na primer reprogramira del svojega mikrovezja za obdelavo videa, medtem ko je njegov uporabnik gledal posnetek na YouTubu, nato pa preklopi čip nazaj na obdelavo signala, da sprejme telefonski klic. To bi lahko močno zmanjšalo količino potrebnih vezij v telefonu.
Takšna rekonfigurabilna logika bi lahko bila neprecenljiva pri satelitih, dodaja Mark Johnson iz Laboratorija za pomorske raziskave v Washingtonu DC, soavtor članka. Če bi del čipa odpovedal v orbiti, bi lahko drug sektor preprosto reprogramirali, da bi prevzel. »Ozdravili ste vezje in to storili z Zemlje,« pravi.
Da bi se resnično ujeli, bi bilo treba magnetno logiko integrirati z obstoječimi tehnologijami, ki temeljijo na siliciju. To morda ni lahko. Prvič, indijev antimonid, polprevodnik, ki je ključnega pomena za vezja, ni primeren za proizvodne procese, ki se uporabljajo za izdelavo sodobne elektronike, pravi Junichi Murota, raziskovalec nanoelektronike na univerzi Tohoku na Japonskem. Toda Johnson pravi, da bo sčasoma mogoče zgraditi podobne mostove s silicijem.

Integracija miniaturnih magnetov, potrebnih za nadzor naprav, v običajen čip tudi ne bi bila enostavna. Podjetja bi morala biti sposobna reševati te izzive, vendar le, če se odločijo, da so naprave vredne truda, pravi Salis. Trenutno, dodaja, ni jasno, ali bodo naprave dobro delovale pri velikostih, potrebnih za praktičen čip – veliko manjših od mikrometrskih dimenzij prototipov.

Toda Johnson ugotavlja, da se magnetizem že ujame pri oblikovanju vezij: nekatere napredne naprave začenjajo uporabljati magnetno različico pomnilnika z naključnim dostopom, vrsto pomnilnika, ki je bil v preteklosti zgrajen le s konvencionalnimi tranzistorji. »Mislim, da je premik že v teku,« pravi.