Спинтроника в 3D

(Апрель 2013)

Среди перспективных путей, сулящих дальнейший прогресс в микроэлектронике, чаще других технологий упоминают спинтронику и 3D-чипы. Ученые Кембриджа сумели объединить два этих направления в одной разработке.

5.3d-chip

Как с гордостью поведали недавно пиар-мастера Кембриджского университета, физиками из их лаборатории им. Кавендиша изготовлен «первый в мире трехмерный спинтронный микропроцессор». И будь это правдой – спору нет – уже сегодня наступил бы подлинный прорыв в области высоких инфотехнологий.

Но на самом деле, конечно же, реальные успехи ученых выглядят куда скромнее. Никакого спинтронного 3D-микропроцессора пока что нет и в помине, однако собственно разработка выглядит несомненно интересно. И вполне заслуживает того, чтобы познакомиться с ней поближе.

Мечты о 3D

Эмпирический закон Мура, как известно, установил никак не доказуемое, но исправно работающее вот уже свыше полувека правило. Число элементов типовой микросхемы – или иначе производительность чипов – исправно продолжают удваиваться через каждые полтора, примерно, года.

Никто не скажет, почему так происходит. Но все знают, что бесконечно это продолжаться не может. Нынешняя архитектура микросхем быстро движется к своим физическим пределам. То есть все известные проблемы технологии – с литографией, материалами, охлаждением – отчетливо приближаются к такому состоянию, когда преодолевать их становится в высшей степени сложно.

С другой стороны, изобретательность человека не знает границ. И если непосредственно впереди замаячил непреодолимый барьер, то это вовсе не значит, что прогрессу конец. Например, есть понимание, что если на той же кремниевой основе научиться делать не плоские, а подлинно трехмерные – со множеством межсоединений между слоями – интегральные схемы слоев эдак на 100, то закон Мура, скорее всего, будет и дальше исправно работать еще лет 15-20.

Идею многослойных или стековых, как еще говорят, конструкций 3D-чипов начали разрабатывать довольно давно, еще в 1990-е годы. Но одна из  тяжелых, концептуального порядка проблем, и поныне стоящих здесь перед исследователями, заключается в том, что при опоре на традиционную электронику никак не удается придумать действительно хороший способ для передачи информации между слоями.

В принципе, перемещение битов данных и сигналов логики с одного слоя схемы на другой вполне можно делать и с помощью обычных подходов на основе транзисторов. Но из-за этого общее число транзисторов оказывается неоправданно огромным, сильно удорожая схему. Соответственно, возрастает энергопотребление, а отвод тепла в стековой конструкции при этом сильно усложняется из-за того, что множество элементов спрятаны во внутренних слоях чипа.

Как итог, традиционный подход к 3D получается не только крайне неуклюжим, дорогим и чрезмерно перегретым, но и дополнительно порождает в схеме узкие места – «бутылочные горлышки» – из-за избытка транзисторов для межсоединений. А это в потенциале снижает и производительность чипа.

Иначе говоря, в трехмерной конструкции микросхем для передачи информации между слоями крайне желательно опираться на что-то иное.

Путь спинтроники

Главное отличие технологий спинтроники от транзисторов полупроводниковой электроники в том, что здесь в качестве основы для обработки или хранения данных используется не электрический заряд частиц, а «самое квантовое» из их квантовых свойств – спин частицы. Спин электрона обычно принято обозначать как направление оси его вращения, причем ось эта принимает лишь два возможных значения: условно «вверх» и «вниз».

Иначе говоря, квантовые частицы имеют внутренне присущий им механизм для реализации двоичной логики. Причем оперировать спином электронов в принципе можно с очень высокой точностью и с чрезвычайно небольшими затратами энергии – если уровень техники позволяет.

Откуда понятно, что вместе с развитием нанотехнологий также и спинтроника (от spin transport electronics – электроника на основе переноса спина) все более четко просматривается как очень перспективный путь к конструкциям чипов будущего.

Поскольку на понятийном уровне у спина электрона немало общего с идеей полярности магнитов, неудивительно, что публике спинтроника известна сегодня, главным образом, как передовая технология компьютерной памяти. То есть как техническая основа для накопителей на жестких дисках со сверхвысокой плотностью записи, для быстрой и емкой магнитной памяти произвольного доступа или для совсем новых устройств трековой памяти (racetrack memory).

В приложениях подобного рода суть физического процесса сводится к тому, что электрический ток, в котором все электроны имеют параллельные друг с другом спины (что именуют спин-поляризованным током) пропускается через ультратонкий магнитный слой.

Величина тока, идущего через магнитный слой, зависит от того, является ли ориентация магнитного поля в слое параллельной или противоположной (антипараллельной) направлению спинов в спин-поляризованном токе. Иначе говоря, электрический ток управляется магнитным полем, а значит, он может быть использован для считывания данных – к примеру, с магнитного покрытия жесткого диска.

Этот же механизм можно применять и в обратную сторону. Если взаимодействие между спин-поляризованным током и магнитом изменяет величину тока, то тогда – надлежащим образом применяя спин-поляризованный ток – можно изменять магнитное состояние магнитного слоя.

Ну а если вы можете изменять магнитное состояние материала, в котором информация представлена намагниченными доменами, то это означает, что информацией можно оперировать – как памятью и как логическими операциями.

Два в одном

Главная заслуга команды ученых из Кембриджского университета заключается в том, что они первыми в мире, похоже, смогли очень удачно совместить в своей конструкции главные плюсы 3D-чипов и спинтроники. То есть в стековой многослойной конструкции, характерной для трехмерных микросхем, они придумали и реализовали остроумный механизм вертикальных межслойных соединений на основе спинтроники.

Свою разработку они назвали «спинтронный регистр сдвига», а работает эта конструкция как своего рода квантовый храповой механизм – где биты данных, закодированные в спинах, однонаправленно проталкиваются из одного слоя в другой с минимальными затратами энергии и, соответственно, практически без тепловыделения.

Для того, чтобы в общих чертах представлять, каким образом работает эта «квантовая магия», нужно поподробнее рассмотреть довольно хитрую многослойную структуру сэндвича, в котором реализован механизм.

По сути дела, в кембриджской конструкции стека имеется два основных типа металлических слоев, перемежающихся друг с другом.

Первый тип – составной магнитный слой, сформированный из атомов кобальта, железа и бора, помещенных между обкладками из атомов платины. Эта структура имеет толщину менее 2 нанометров, или, измеряя иначе, примерно 6-8 атомных слоев – в зависимости от кристаллической структуры. Именно здесь хранится информация – примерно как на жестком диске.

Второй тип слоя – это слой из атомов металла рутения, имеющий толщину менее 1 нанометра. Атомы этого слоя действуют как гонцы, переносящие информацию из одного уровня стека в другой.

В тончайшем листе магнитного материала – слой первого рода – у доменов, по сути, имеется лишь два естественных состояния, в которых спины направлены либо вверх, либо вниз. Просто потому, что для другого расположения спинов требуется слишком много энергии. Причем наиболее предпочтительное состояние спинов – быть сориентированными перпендикулярно к плоскости магнитного слоя.

Другое преимущество ультратонких магнитных пленок в том, что доменные стенки (область, отделяющая домены «спин вверх» от доменов «спин вниз») здесь очень узки – примерно 6 нанометров в ширину – что в потенциале обещает устройства очень небольшого размера.

Что же касается атомов в слое рутения, то эти «гонцы» обеспечивают такое взаимодействие между соседними магнитными слоями, чтобы связывались их спины. При этом сила и даже направление спинового взаимодействия зависят от толщины разных слоев, которые можно подбирать таким образом, чтобы из множества разных эффектов порождались только нужные.

Многослойный стек помещается в магнитное поле, которое изменяет энергетические характеристики магнитных материалов во всех слоях чипа. При этом толщина магнитных и связывающих слоев в пределах стека сделана слегка различной, чтобы местоположение бита данных сдвигалось вверх на один магнитный слой для каждых двух перебросов в полярности магнитного поля.

Иначе говоря, определенный домен «спин-вверх» в магнитном слое 10, скажем, после двукратного переключения магнитного поля появляется в магнитном слое 11. Такой механизм перескоков домена – это и есть базовый режим функционирования регистра сдвига в данной лабораторной демонстрации.

Проблемы и перспективы

Уже понятно, видимо, что речь идет именно о лабораторной демонстрации. И до реализации идеи в готовой продукции путь пока еще неблизкий.

Во-первых, быстро переключаемые магнитные поля – это уже нехорошо для всяких сверхбольших интегральных схем, в независимости от того, электронные они или же спинтронные. Во-вторых, пока что демонстрационный образец сделан так, что информация в нем жестко движется исключительно в одном направлении – снизу вверх. Есть также и «в-третьих», но не это главное.

Главное, что в сущности исследователи знают, как улучшить свою конструкцию. Заставлять доменные структуры взбираться с одного уровня стека на другой можно не только перебросом поля, но и с помощью спин-поляризованных токов между слоями. Причем такого рода взаимодействие, по идее, позволит в итоге и двунаправленные перемещения по стеку.

Иначе говоря, есть ощущение, что все эти трудности не носят принципиального характера. И чем быстрее их удастся преодолеть, тем раньше новая и бесспорно интересная разработка перейдет в фазу массового производства.

5.3d-spintronics