Pesquisadores da Intel Corp. e da Universidade da Califórnia, Berkeley, estão olhando além da tecnologia atual de transistores e preparando o caminho para um novo tipo de memória e circuito lógico que um dia poderá estar em todos os computadores do planeta.

Em um artigo publicado online em 3 de dezembro antes da publicação no jornal Natureza , os pesquisadores propõem uma maneira de transformar tipos de materiais relativamente novos, materiais multiferróicos e topológicos, em dispositivos lógicos e de memória que serão de 10 a 100 vezes mais eficientes em termos de energia do que melhorias previsíveis nos microprocessadores atuais, que são baseados em CMOS (semicondutor de óxido de metal complementar).

Os dispositivos magnetoelétricos spin-orbit ou MESO também embalarão cinco vezes mais operações lógicas no mesmo espaço do que o CMOS, continuando a tendência de mais cálculos por unidade de área, um princípio central da Lei de Moore.

Os novos dispositivos irão impulsionar tecnologias que requerem um poder de computação intenso com baixo consumo de energia, especificamente altamente automatizado, carros autônomos e drones, ambos requerem um número cada vez maior de operações de computador por segundo.

"À medida que o CMOS se desenvolve em sua maturidade, Basicamente, teremos opções de tecnologia muito poderosas para nos ajudar. Em algumas formas, isso poderia continuar a melhorar a computação para outra geração inteira de pessoas, "disse o autor principal Sasikanth Manipatruni, que lidera o desenvolvimento de hardware para o projeto MESO no grupo de pesquisa de componentes da Intel em Hillsboro, Oregon. MESO foi inventado por cientistas da Intel, e Manipatruni projetou o primeiro dispositivo MESO.

Tecnologia de transistores, inventado há 70 anos, é usado hoje em tudo, desde celulares e eletrodomésticos até carros e supercomputadores. Os transistores embaralham os elétrons dentro de um semicondutor e os armazenam como bits binários 0 e 1.

Nos novos dispositivos MESO, os bits binários são os estados de spin magnético para cima e para baixo em um multiferróico, um material criado pela primeira vez em 2001 por Ramamoorthy Ramesh, professor de ciência e engenharia de materiais da UC Berkeley e de física e autor sênior do artigo.

"A descoberta foi que existem materiais onde você pode aplicar uma voltagem e alterar a ordem magnética do multiferróico, "disse Ramesh, que também é cientista docente do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley. "Mas para mim, 'O que faríamos com esses multiferróicos?' sempre foi uma grande questão. O MESO preenche essa lacuna e fornece um caminho para a evolução da computação "

No Natureza papel, os pesquisadores relatam que reduziram a voltagem necessária para a comutação magnetoelétrica multiferróica de 3 volts para 500 milivolts, e prever que deve ser possível reduzir isso para 100 milivolts:um quinto a um décimo do exigido pelos transistores CMOS em uso hoje. Tensão mais baixa significa menor consumo de energia:a energia total para mudar um bit de 1 a 0 seria de um décimo a um trigésimo da energia exigida pelo CMOS.

"Uma série de técnicas críticas precisam ser desenvolvidas para permitir esses novos tipos de dispositivos e arquiteturas de computação, "disse Manipatruni, que combinou as funções dos materiais magneto-elétricos e spin-órbita para propor o MESO. "Estamos tentando desencadear uma onda de inovação na indústria e na academia sobre como deve ser a próxima opção semelhante a um transistor."

Internet das coisas e IA

A necessidade de computadores mais eficientes em termos de energia é urgente. O Departamento de Energia projeta que, com a expectativa de expansão da indústria de chips de computador para vários trilhões de dólares nas próximas décadas, o uso de energia por computadores pode disparar de 3 por cento de todo o consumo de energia dos EUA hoje para 20 por cento, quase tanto quanto o setor de transporte de hoje. Sem transistores mais eficientes em termos de energia, a incorporação de computadores em tudo - a chamada internet das coisas - seria dificultada. E sem nova ciência e tecnologia, Ramesh disse, A liderança dos Estados Unidos na fabricação de chips para computadores pode ser superada por fabricantes de semicondutores em outros países.

"Por causa do aprendizado de máquina, inteligência artificial e IOT, a futura casa, o futuro carro, a capacidade de fabricação futura será muito diferente, "disse Ramesh, que até recentemente era o diretor associado de tecnologias de energia no Berkeley Lab. “Se usarmos as tecnologias existentes e não fizermos mais descobertas, o consumo de energia vai ser grande. Precisamos de novas descobertas baseadas na ciência. "

Co-autor do artigo Ian Young, um UC Berkeley Ph.D., fundou um grupo na Intel há oito anos, junto com Manipatruni e Dmitri Nikonov, para investigar alternativas para transistores, e cinco anos atrás eles começaram a se concentrar em materiais multiferróicos e spin-órbita, os chamados materiais "topológicos" com propriedades quânticas únicas.

“Nossa análise nos trouxe a este tipo de material, magneto-elétrica, e todas as estradas levavam a Ramesh, "disse Manipatruni.

Materiais multiferróicos e spin-órbita

Os multiferróicos são materiais cujos átomos exibem mais de um "estado coletivo". Em ferromagnetos, por exemplo, os momentos magnéticos de todos os átomos de ferro no material são alinhados para gerar um ímã permanente. Em materiais ferroelétricos, por outro lado, as cargas positivas e negativas dos átomos são compensadas, criando dipolos elétricos que se alinham em todo o material e criam um momento elétrico permanente.

MESO é baseado em um material multiferróico que consiste em bismuto, ferro e oxigênio (BiFeO3) que é magnético e ferroelétrico. Sua principal vantagem, Ramesh disse, é que esses dois estados - magnético e ferroelétrico - estão ligados ou acoplados, de modo que mudar um afeta o outro. Ao manipular o campo elétrico, você pode mudar o estado magnético, o que é crítico para MESO.

O principal avanço veio com o rápido desenvolvimento de materiais topológicos com efeito spin-órbita, que permitem que o estado do multiferróico seja lido com eficiência. Em dispositivos MESO, um campo elétrico altera ou vira o campo elétrico dipolo em todo o material, que altera ou vira os spins do elétron que geram o campo magnético. Essa capacidade vem do acoplamento spin-órbita, um efeito quântico em materiais, que produz uma corrente determinada pela direção do spin do elétron.

Em outro artigo publicado no início deste mês na Science Advances, UC Berkeley e Intel demonstraram experimentalmente comutação magnética controlada por voltagem usando o material magnetoelétrico bismuto-óxido de ferro (BiFeO3), um requisito fundamental para MESO.

"Procuramos abordagens revolucionárias e não evolutivas para a computação na era além do CMOS, "Disse Young." O MESO é construído em torno de interconexões de baixa tensão e magnetoelétricos de baixa tensão, e traz inovação em materiais quânticos para a computação. "