2006. február 16. 21:34, Csütörtök
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.
![](https://media.sg.hu/kep/2006_02/image1.jpg)
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.
![](https://media.sg.hu/kep/2006_02/image2.jpg)
A mágnesek körül lévő szórt tér a közvetlen környezetben erős. Ez a tér biztosítja a mágnesek közti csatolást az MQCA rendszerben
|
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.
![](https://media.sg.hu/kep/2006_02/image3.jpg)
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.