Hunter
Imre Alexandra a mágneses logikai kapukról
Korábban már beszámoltunk egy, a számítástechnika tranzisztormentesítését célzó kutatásról. A témáról a kutatás magyar résztvevőjét kérdeztük.
Korábban már beszámoltunk egy magyar érdekeltségű kutatásról, ami távlatait tekintve akár a számítástechnika tranzisztormentesítését is célozhatná. A téma bővebb áttekintéséhez közvetlenül a kutatásban részt vevő egyik magyar féltől, Imre Alexandrától kaptunk segítséget.
A mágneses információfeldolgozás egyik lehetséges módja a mágneses többségi logikai kapu, amihez egy úgynevezett kvantum-pötty sejt-automatán (QCA) keresztül vezet az út. Feltalálói, a jelenlegi projektet is vezető Wofgang Porod villamosmérnök professzor, a Notre Dame Egyetem (Indiana, USA) Nanotudományi és -technikai Központjának igazgatója, valamint munkatársai Craig S. Lent, P. Douglas Tougaw, és Gary H. Bernstein először 1993-ban publikáltak a témában.
Mint általánosan ismert, a hagyományos mikroelektronika a kisebb, gyorsabb és erősebb számítógépek előállítása érdekében a tranzisztorok minél apróbbá zsugorításával küzd, a módszer azonban vészesen közelít fizikai korlátainak határa felé. A QCA átugorja ezt a korlátot potenciál dobozok, úgynevezett "kvantumpöttyök" alkalmazásával, melyekbe az elektronok bezárhatók. Ezek a kvantumpöttyök mikroelektronikai technikákkal sejtekbe rendezhetők, majd a sejtek felsorakoztathatók egymás mögé, hogy "bináris vezetékeket" alkossanak, vagy kapcsolókká és különböző számítástechnikai logikai eszközökké rendezhetők.
A szomszédos sejtek csatolódását Coulomb erők biztosítják. Az elektronok alagutaznak egy sejten belül a potenciál dobozok között, és ha egy sejtben négy pötty és két elektron van (lásd az alábbi ábrán), akkor az elektronok a közöttük lévő taszítás miatt az ellentétes sarkokba rendeződnek. Egy sejt tehát két egyenrangú alapállapottal rendelkezik, ezekhez rendelhetők a bináris logikai értékek, az 1 és a 0. Az így kapott architektúra egy megfelelő külső mező alkalmazásával képes a bináris információ továbbítására és feldolgozására, ami energiával látja el a rendszert és egyben óraként is funkcionál.
Kvantum-pötty sejt-automata (QCA) felépítésének sematikus vázlata. Minden sejt két egyenrangú alapállapottal rendelkezik, amelyekhez az 1 és a 0 bináris logikai értékek tetszőlegesen hozzárendelhetők. A sorbarendezett sejtek csatolt rendszert alkotnak, melyen a hullámként végigvonuló állapotváltozás szolgáltatja az információáramlást
Elvileg egy egy négyzetcentiméteres molekuláris QCA chip - szemben a legfejlettebb hagyományos chipek pár millió eszközével - nem kevesebb, mint 1 trillió eszközt tartalmazhat. Mivel a jel átvitele nem elektronáramon alapul, így túlhevülési problémákkal nem kell foglalkozni. Viszont amikor megpróbálták alkalmazni a QCA koncepciót, a Notre Dame kutatóinak több problémával kellett szembesülniük. Az első kísérletek fémszigetek alkalmazásával folytak, azonban a jelenlegi litográfiai technika korlátai olyan alacsony működési hőmérsékletre száműzték az QCA-t, hogy az alaposan lecsökkentette a gyakorlati alkalmazások számát.
Ennek alternatívájaként indult meg Porod professzor és az egyetem kutatóinak egy csapata közreműködésével a mágneses rendszerek tanulmányozása a QCA implementációk számára. A fémszigeteket nanomágnesek váltották fel. A csapat tagjai Imre Alexandra, Lili Ji, Alexei Orlov és Gary Bernstein, akikkel közreműködik a szintén magyar Csaba György, a Müncheni Műszaki Egyetem Nanoelektronikai Intézetének munkatársa - maga is a Notre Dame Egyetemen szerezte PhD-jét. Ő végezte és végzi jelenleg is a szimulációk és az elméleti munka nagy részét. Alexandra 2001-ben csatlakozott a csapathoz, amikor elérkezettnek látták az időt a kísérleti munka megkezdéséhez és mint kísérleti kutató kezdett el a projektben tevékenykedni.
Imre Alexandra hangsúlyozta, a kvantum kifejezés ellenére itt nem kvantum számítógépről van szó. A "kvantum" az eredeti QCA technikában megjelenő kvantum effektusokra utal, ami bár a mágneses QCA-t (MQCA) már kevéssé jellemzi, történeti okokból megtartották a névadáskor. Az alapelv megegyezik az eredeti elektromos QCA-val, azonban az MQCA esetében nanomágnesek tárolják az információt, és mágneses kölcsönhatások végzik a logikai műveleteket. A mágneses módszer megoldást jelent az elektromos QCA alapvető problémájára, a szobahőmérsékleten való működés hiányára. Viszont megtartja a QCA pozitívumait, mint például az alacsony hőleadást és a magas eszközsűrűséget, így kiváltképp hasznos lehet a hordozható eszközökben, ahol az energiafogyasztás az egyik legfontosabb tényező. A rendszer egy másik előnye hogy viszonylag érzéketlen a sugárzásra, ezért Alexandra az űrkutatási és katonai területeken is lát potenciális alkalmazásokat. A technika elvezethet egy teljesen mágneses információ feldolgozó rendszerhez, ami nem - vagy csak kis mértékben - használ elektromosságot.
A technikát demonstrálandó, a csapat által létrehozott mágneses többségi logikai kapu öt, kereszt alakban elrendezett nanomágnesből áll össze. Az elektronsugaras litográfiával és lift-off technikákkal vas-nikkel ötvözetből előállított nanomágnesek 135 nm hosszúsággal, 70 nm szélességgel és 30 nm vastagsággal rendelkeznek. Elnyújtott alakjuk miatt erősen bistabilak, mágnesességük a hossztengely mentén halad, hacsak nincs jelen egy külső mező. A kereszt alakzat két, egyenként három nanomágnesből álló, egymást metsző sor eredménye. A függőleges sorban elhelyezkedő nanomágnesek ugyanazon a vonalon átfutó hossztengellyel rendelkeznek, így ferromágnesesen csatolódnak, melynek egyik eredménye, hogy mágnesességük egy irányba mutat.
A nanomágnesek vízszintes sorában a hossztengelyek egymás mellett párhuzamosan helyezkednek el, így ezek mágneses dipólusaik irányának váltakoztatásával antiferromágneses csatolódást tanúsítanak. A logikát kiértékelő középponti mágnes körül elhelyezkedő négy mágnesből három inputként viselkedik, ebből már nem nehéz kikövetkeztetni, hogy a negyedik, "külső" nanomágnes tölti be az eszköz output szerepét. Mivel a ferromágneses és antiferromágneses csatolódás azonos erejű a középponti mágneshez, ezért az abba az állapotba kapcsol, amire az inputok többsége készteti. Az középponti mágnes ezután beállítja az output mágnes állapotát.
Csatolt mágnesekből felépített MQCA struktúrák
Az eredmény egy hárominputos invertáló többségi logikai kapu. Az egyik input rögzítésével a kutatók elérték, hogy eszközük egy programozható kétinputos NAND vagy NOR kapu legyen, így egy, a fenti többségi logikai kapukból álló hálózat bármilyen Boolean logikai művelet végrehajtását lehetővé teszi. Ebből akár már egészen nagy architektúrák is felépíthetővé válhatnak. A kérdés azonban a sebesség, amit a szimulációk néhány 100 MHz-ben állapítottak meg.
Kérdésünkre, hogy lehet-e fokozni ezt a sebességet Alexandra elmondta, hogy túlságosan nagy javulásra nem számíthatunk, mivel akárcsak a tranzisztoroknak, az MQCA-nak is megvannak a maga korlátai, ami sajnos a sebesség rovására is megy, tehát ne várjunk gigahertzes MQCA chipeket. Azt is megtudtuk, hogy a technika nem biztos, hogy eljut egy kiforrott stádiumig, mivel az a támogatáson, valamint az ipar érdeklődésén múlik. Alexandra nemsokára elhagyja az egyetemet és egy illinois-i intézet, az Argonne Nemzeti Laboratóriumnál kezd egy egészen új témakörbe, ami szintén ígéretesnek tűnik, de ez már egy új történet, amiről reméljük idővel szintén sikerül beszámolnunk.
Korábban már beszámoltunk egy magyar érdekeltségű kutatásról, ami távlatait tekintve akár a számítástechnika tranzisztormentesítését is célozhatná. A téma bővebb áttekintéséhez közvetlenül a kutatásban részt vevő egyik magyar féltől, Imre Alexandrától kaptunk segítséget.
A mágneses információfeldolgozás egyik lehetséges módja a mágneses többségi logikai kapu, amihez egy úgynevezett kvantum-pötty sejt-automatán (QCA) keresztül vezet az út. Feltalálói, a jelenlegi projektet is vezető Wofgang Porod villamosmérnök professzor, a Notre Dame Egyetem (Indiana, USA) Nanotudományi és -technikai Központjának igazgatója, valamint munkatársai Craig S. Lent, P. Douglas Tougaw, és Gary H. Bernstein először 1993-ban publikáltak a témában.
Mint általánosan ismert, a hagyományos mikroelektronika a kisebb, gyorsabb és erősebb számítógépek előállítása érdekében a tranzisztorok minél apróbbá zsugorításával küzd, a módszer azonban vészesen közelít fizikai korlátainak határa felé. A QCA átugorja ezt a korlátot potenciál dobozok, úgynevezett "kvantumpöttyök" alkalmazásával, melyekbe az elektronok bezárhatók. Ezek a kvantumpöttyök mikroelektronikai technikákkal sejtekbe rendezhetők, majd a sejtek felsorakoztathatók egymás mögé, hogy "bináris vezetékeket" alkossanak, vagy kapcsolókká és különböző számítástechnikai logikai eszközökké rendezhetők.
A szomszédos sejtek csatolódását Coulomb erők biztosítják. Az elektronok alagutaznak egy sejten belül a potenciál dobozok között, és ha egy sejtben négy pötty és két elektron van (lásd az alábbi ábrán), akkor az elektronok a közöttük lévő taszítás miatt az ellentétes sarkokba rendeződnek. Egy sejt tehát két egyenrangú alapállapottal rendelkezik, ezekhez rendelhetők a bináris logikai értékek, az 1 és a 0. Az így kapott architektúra egy megfelelő külső mező alkalmazásával képes a bináris információ továbbítására és feldolgozására, ami energiával látja el a rendszert és egyben óraként is funkcionál.
Kvantum-pötty sejt-automata (QCA) felépítésének sematikus vázlata. Minden sejt két egyenrangú alapállapottal rendelkezik, amelyekhez az 1 és a 0 bináris logikai értékek tetszőlegesen hozzárendelhetők. A sorbarendezett sejtek csatolt rendszert alkotnak, melyen a hullámként végigvonuló állapotváltozás szolgáltatja az információáramlást
Elvileg egy egy négyzetcentiméteres molekuláris QCA chip - szemben a legfejlettebb hagyományos chipek pár millió eszközével - nem kevesebb, mint 1 trillió eszközt tartalmazhat. Mivel a jel átvitele nem elektronáramon alapul, így túlhevülési problémákkal nem kell foglalkozni. Viszont amikor megpróbálták alkalmazni a QCA koncepciót, a Notre Dame kutatóinak több problémával kellett szembesülniük. Az első kísérletek fémszigetek alkalmazásával folytak, azonban a jelenlegi litográfiai technika korlátai olyan alacsony működési hőmérsékletre száműzték az QCA-t, hogy az alaposan lecsökkentette a gyakorlati alkalmazások számát.
Ennek alternatívájaként indult meg Porod professzor és az egyetem kutatóinak egy csapata közreműködésével a mágneses rendszerek tanulmányozása a QCA implementációk számára. A fémszigeteket nanomágnesek váltották fel. A csapat tagjai Imre Alexandra, Lili Ji, Alexei Orlov és Gary Bernstein, akikkel közreműködik a szintén magyar Csaba György, a Müncheni Műszaki Egyetem Nanoelektronikai Intézetének munkatársa - maga is a Notre Dame Egyetemen szerezte PhD-jét. Ő végezte és végzi jelenleg is a szimulációk és az elméleti munka nagy részét. Alexandra 2001-ben csatlakozott a csapathoz, amikor elérkezettnek látták az időt a kísérleti munka megkezdéséhez és mint kísérleti kutató kezdett el a projektben tevékenykedni.
Imre Alexandra hangsúlyozta, a kvantum kifejezés ellenére itt nem kvantum számítógépről van szó. A "kvantum" az eredeti QCA technikában megjelenő kvantum effektusokra utal, ami bár a mágneses QCA-t (MQCA) már kevéssé jellemzi, történeti okokból megtartották a névadáskor. Az alapelv megegyezik az eredeti elektromos QCA-val, azonban az MQCA esetében nanomágnesek tárolják az információt, és mágneses kölcsönhatások végzik a logikai műveleteket. A mágneses módszer megoldást jelent az elektromos QCA alapvető problémájára, a szobahőmérsékleten való működés hiányára. Viszont megtartja a QCA pozitívumait, mint például az alacsony hőleadást és a magas eszközsűrűséget, így kiváltképp hasznos lehet a hordozható eszközökben, ahol az energiafogyasztás az egyik legfontosabb tényező. A rendszer egy másik előnye hogy viszonylag érzéketlen a sugárzásra, ezért Alexandra az űrkutatási és katonai területeken is lát potenciális alkalmazásokat. A technika elvezethet egy teljesen mágneses információ feldolgozó rendszerhez, ami nem - vagy csak kis mértékben - használ elektromosságot.
 A mágnesek körül lévő szórt tér a közvetlen környezetben erős. Ez a tér biztosítja a mágnesek közti csatolást az MQCA rendszerben |
A nanomágnesek vízszintes sorában a hossztengelyek egymás mellett párhuzamosan helyezkednek el, így ezek mágneses dipólusaik irányának váltakoztatásával antiferromágneses csatolódást tanúsítanak. A logikát kiértékelő középponti mágnes körül elhelyezkedő négy mágnesből három inputként viselkedik, ebből már nem nehéz kikövetkeztetni, hogy a negyedik, "külső" nanomágnes tölti be az eszköz output szerepét. Mivel a ferromágneses és antiferromágneses csatolódás azonos erejű a középponti mágneshez, ezért az abba az állapotba kapcsol, amire az inputok többsége készteti. Az középponti mágnes ezután beállítja az output mágnes állapotát.
Csatolt mágnesekből felépített MQCA struktúrák
Az eredmény egy hárominputos invertáló többségi logikai kapu. Az egyik input rögzítésével a kutatók elérték, hogy eszközük egy programozható kétinputos NAND vagy NOR kapu legyen, így egy, a fenti többségi logikai kapukból álló hálózat bármilyen Boolean logikai művelet végrehajtását lehetővé teszi. Ebből akár már egészen nagy architektúrák is felépíthetővé válhatnak. A kérdés azonban a sebesség, amit a szimulációk néhány 100 MHz-ben állapítottak meg.
Kérdésünkre, hogy lehet-e fokozni ezt a sebességet Alexandra elmondta, hogy túlságosan nagy javulásra nem számíthatunk, mivel akárcsak a tranzisztoroknak, az MQCA-nak is megvannak a maga korlátai, ami sajnos a sebesség rovására is megy, tehát ne várjunk gigahertzes MQCA chipeket. Azt is megtudtuk, hogy a technika nem biztos, hogy eljut egy kiforrott stádiumig, mivel az a támogatáson, valamint az ipar érdeklődésén múlik. Alexandra nemsokára elhagyja az egyetemet és egy illinois-i intézet, az Argonne Nemzeti Laboratóriumnál kezd egy egészen új témakörbe, ami szintén ígéretesnek tűnik, de ez már egy új történet, amiről reméljük idővel szintén sikerül beszámolnunk.
