Спинтроника в 3D

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 же деле реальные успехи ученых выглядят куда скромнее. Никакого спинтронного 3D-микропроцессора пока что нет и в помине, однако собственно разработка представляет несомненный интерес. И она 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 – иначе говоря, производительность чипов – продолжает исправно удваиваться примерно через каждые полтора года.

Никто не скажет, почему так происходит, но все знают, что это не может продолжаться бесконечно. Нынешняя архитектура микросхем быстро движется к своим физическим пределам. Следовательно, все известные проблемы технологии – с литографией, материалами, охлаждением – явно приближаются к тому состоянию, при котором преодолевать их становится в высшей степени сложно.

Однако изобретательность человека не знает границ. И если непосредственно впереди замаячил непреодолимый барьер, то это вовсе не означает, что прогрессу настанет конец. Например, существует понимание того, 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, как их еще называют, стековых, конструкций 3D-чипов начали разрабатывать довольно давно, еще в 1990-е г. Но одна из сложных концептуальных проблем, и поныне стоящих перед исследователями, заключается в том, что при опоре на традиционную электронику не удается создать действительно хороший способ передачи информации между слоями.

В принципе, перемещение битов данных и сигналов логики с одного слоя схемы на другой вполне можно осуществлять и с помощью обычных подходов на основе транзисторов. Но тогда общее число транзисторов становится неоправданно огромным, что значительно удорожает схему. Следовательно, возрастает энергопотребление, а отвод тепла в стековой конструкции при этом сильно усложняется вследствие того, что множество элементов спрятаны во внутренних слоях чипа.

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

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

Путь спинтроники

Главное отличие технологий спинтроники от технологии транзисторов состоит 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 эта ось принимает лишь два значения: условно говоря, «вверх» и «вниз».

Следовательно, 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 малыми затратами энергии – если уровень техники позволяет.

Поэтому понятно, что вместе с развитием нанотехнологий и спинтроника (от англ. 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 сейчас, главным образом, как передовая технология компьютерной памяти, т.е. 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 другу спины (также именуемый спин-поляризованным током) пропускается через ультратонкий магнитный слой.

Величина тока, проходящего через магнитный слой, зависит от того, какой является 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 влияет на величину тока, то можно изменять магнитное состояние магнитного слоя, надлежащим образом применяя спин-поляризованный ток.

Таким образом, если вы можете изменять магнитное состояние материала, в котором информация представлена намагниченными доменами, значит, информацией можно оперировать – как памятью и как логическими операциями.

Два в одном

Главная заслуга команды ученых из Кембриджского университета заключается в том, что они, похоже, первыми в мире смогли очень удачно совместить в своей конструкции главные плюсы 3D-чипов и спинтроники. 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». 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, следовательно, практически без тепловыделения.

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

По сути, в кембриджской конструкции стека имеются 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 нм, или, измеряя иначе, примерно 6--8 атомных слоев – в зависимости от кристаллической структуры. Именно здесь хранится информация – примерно так же как на жестком диске.

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

В тончайшем листе магнитного материала (слой первого типа) у доменов, по сути, имеются 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 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 нм 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, при котором связывались бы их спины. Причем 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, изменяющее энергетические характеристики магнитных материалов во всех слоях чипа. Кроме того, 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 является базовым режимом функционирования регистра сдвига в данной лабораторной демонстрации.

Проблемы и перспективы

Видимо, уже понятно, 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 всевозможных сверхбольших интегральных схем, причем независимо от того, электронные они или же спинтронные. Во-вторых, пока демонстрационный образец сделан таким образом, что информация в нем жестко движется исключительно в одном направлении – снизу вверх. Есть также и «в-третьих», но не это главное.

Главное, в сущности, то, что исследователи уже 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.

В общем, складывается впечатление, 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.