Magnetische Logik sorgt für veränderliche Chips

Software kann einen Computer von einem Textverarbeitungsprogramm zu einem Zahlenjongleur in ein Bildtelefon verwandeln. Aber die zugrunde liegende Hardware ist unverändert. Nun könnte ein Transistortyp, der mit Magnetismus statt mit Strom geschaltet werden kann, auch Schaltungen formbar machen und zu effizienteren und zuverlässigeren Geräten führen, von Smartphones bis hin zu Satelliten.

Transistoren, die einfachen Schalter im Herzen aller modernen Elektronik, verwenden im Allgemeinen eine winzige Spannung, um zwischen „Ein“ und „Aus“ umzuschalten. Der Spannungsansatz ist sehr zuverlässig und leicht zu miniaturisieren, hat aber seine Nachteile. Erstens erfordert das Aufrechterhalten der Spannung Strom, was den Energieverbrauch des Mikrochips in die Höhe treibt. Zweitens müssen Transistoren in den Chips fest verdrahtet sein und können nicht umkonfiguriert werden, was bedeutet, dass Computer für alle ihre Funktionen dedizierte Schaltkreise benötigen.

Eine Forschungsgruppe am Korea Institute of Science and Technology (KIST) in Seoul, Südkorea, hat eine Schaltung entwickelt, die diese Probleme umgehen könnte. Das Gerät, das in einem am 30. Januar auf der Website von Nature veröffentlichten Artikel beschrieben wurde, verwendet Magnetismus, um den Elektronenfluss über eine winzige Brücke aus dem halbleitenden Material Indiumantimonid zu steuern (S. Joo et al. Nature http://dx. doi.org/10.1038/nature11817; 2013). Es ist „eine neue und interessante Wendung bei der Implementierung eines Logikgatters“, sagt Gian Salis, Physiker am Zürcher Forschungslabor von IBM in der Schweiz.

Die Brücke hat zwei Schichten: ein unteres Deck mit einem Überschuss an positiv geladenen Löchern und ein oberes Deck, das überwiegend mit negativ geladenen Elektronen gefüllt ist. Dank der ungewöhnlichen elektronischen Eigenschaften des Indiumantimonids können die Forscher den Elektronenfluss über die Brücke mit einem senkrechten Magnetfeld steuern. Wenn sie das Feld in eine Richtung einstellen, werden Elektronen vom positiven unteren Deck weggelenkt und fließen frei. Wenn das Magnetfeld umgedreht wird, prallen die Elektronen auf das untere Deck und rekombinieren mit den Löchern – wodurch der Schalter effektiv ausgeschaltet wird (siehe „Magnetverschluss“).

Die Fähigkeit eines magnetischen Logikgatters, den Schalter ohne Spannung ein- oder ausgeschaltet zu halten, „könnte zu einer erheblichen Reduzierung des Energieverbrauchs führen“, sagt Mitautor der Studie, Jin Dong Song, Physiker am KIST. Noch beeindruckender ist, dass die Magnetschalter „wie Software gehandhabt werden können“, sagt er, indem einfach das Feld umgedreht wird, um einen Schaltkreis zu aktivieren oder zu deaktivieren. So könnte beispielsweise ein Mobiltelefon einen Teil seines Mikroschaltkreises neu programmieren, um ein Video zu verarbeiten, während sein Benutzer einen Clip auf YouTube ansieht, und dann den Chip wieder auf Signalverarbeitung umschalten, um einen Anruf entgegenzunehmen. Dies könnte das Volumen der im Telefon benötigten Schaltkreise erheblich reduzieren.
Eine solche rekonfigurierbare Logik könnte in Satelliten von unschätzbarem Wert sein, fügt Mark Johnson vom Naval Research Laboratory in Washington DC hinzu, ein Co-Autor der Veröffentlichung. Wenn ein Teil eines Chips im Orbit ausfiel, konnte einfach ein anderer Sektor neu programmiert werden, um zu übernehmen. „Du hast den Kreislauf geheilt, und du hast es von der Erde aus getan“, sagt er.
Um sich jedoch wirklich durchzusetzen, müsste die magnetische Logik in bestehende siliziumbasierte Technologien integriert werden. Das ist vielleicht nicht einfach. Zum einen eignet sich Indiumantimonid, der für die Schaltungen entscheidende Halbleiter, nicht gut für Herstellungsprozesse, die zur Herstellung moderner Elektronik verwendet werden, so Junichi Murota, ein Forscher, der an der Tohoku-Universität in Japan mit Nanoelektronik arbeitet. Aber Johnson sagt, dass es möglich sein könnte, ähnliche Brücken mit Silizium zu bauen.

Auch die zur Steuerung der Geräte benötigten Miniaturmagnete in einen normalen Chip zu integrieren, wäre nicht einfach. Unternehmen sollten in der Lage sein, diese Herausforderungen zu lösen, aber nur, wenn sie entscheiden, dass sich die Geräte lohnen, sagt Salis. Im Moment, fügt er hinzu, ist es nicht klar, ob die Geräte bei den für einen praktischen Chip erforderlichen Größen – viel kleiner als die Mikrometerabmessungen der Prototypen – gut funktionieren werden.

Aber Johnson stellt fest, dass sich Magnetismus im Schaltungsdesign bereits durchsetzt: Einige fortschrittliche Geräte beginnen damit, eine magnetische Version von Direktzugriffsspeichern zu verwenden, eine Art von Speicher, der in der Vergangenheit nur mit herkömmlichen Transistoren gebaut wurde. „Ich glaube, ein Wandel ist bereits im Gange“, sagt er.