Een nieuw door de EU gefinancierd project heeft een vooraanstaand consortium uit de wetenschap en industrie bijeengebracht om te onderzoeken hoe veranderingen in de magnetische eigenschappen van halfgeleiders het stroomverbruik van computerchips kunnen verhonderdvoudigen. Onderzoekers van Fraunhofer IZM maken deel uit van het team dat onderzoekt hoe de minuscule contacten van de halfgeleiders met elkaar verbonden kunnen worden.
Laptops, smartphones, zelfs slimme horloges: In onze digitale wereld verwachten we dat steeds meer functies worden overgenomen door apparaten die steeds kleiner worden, maar ook steeds meer energie nodig hebben. Nieuwe inzichten uit onderzoek suggereren dat het de grootte en het energieverbruik van elektronische apparaten enorm kan helpen verminderen als spingolftechnologieën worden gebruikt in microchips.
Spingolven
Wat zijn spingolven? Spingolven verwijzen naar de collectieve excitatie van magnetisch materiaal. De “spin” is het impulsmoment van een kwantumdeeltje, zoals een elektron of een neutron. Dat momentum is verantwoordelijk voor alle magnetische verschijnselen. De kwantumdeeltjes die spingolven vormen, worden magnonen genoemd en onderzoekers hebben deze magnonen aangegrepen omdat ze kunnen worden gebruikt om meer informatie over te dragen terwijl ze minder energie gebruiken dan conventionele microchips of halfgeleiderchips.
Om de inzichten uit het spin- en magnononderzoek in de praktijk toe te passen, zijn nieuwe technologische oplossingen nodig. De onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration IZM en hun wetenschappelijke en industriële partners uit heel Europa hebben een computersysteem ontwikkeld dat magnonics combineert met conventionele computertechnologie met zijn standaard halfgeleidersystemen. Het team zette hun zinnen op CMOS-schakelingen om de noodzakelijke compatibiliteit te bereiken. CMOS of Complementaire Metaaloxide Halfgeleiders worden in alle moderne computers gebruikt om digitale of analoge gegevens te verwerken. Voor hun project produceerde de groep van Fraunhofer IZM een interface tussen de conventionele computer en een spinwavecircuit gemaakt van saffier of gardolinium gallium garnet (GGG). Het werkt op frequenties tot 16 GHz met meer dan honderd kanalen en maakt gebruik van vrijwel identieke bedradingslengtes.
Energieverbruik factoor 100 lager
Een bijzondere uitdaging voor het project was de enorme dichtheid van de spinwave logische poorten op een chip. Logische poorten voeren de logische bewerkingen uit die binaire input omzetten in outputsignalen. “De huidige spingolfchips hebben slechts één logische poort, maar wij plannen meer dan honderd poorten op één chip”, zegt Dr. Martin Hempel, projectleider bij Fraunhofer IZM, waarbij hij gebruik maakt van de unieke expertise van het instituut met het inbouwen van hoogfrequente chips met meerdere interfaces. Het project zal de eerste zijn die spingolven gebruikt voor complexere berekeningen in een computerchip, waardoor het mogelijk wordt om het energieverbruik van toekomstige computers met een factor honderd te verminderen. De technologie om toegang te krijgen tot meerdere hoogfrequente kanalen die IZM-wetenschappers voor het project ontwikkelden, zal ook nuttig zijn voor vele andere toepassingen op andere gebieden, zoals RF- en communicatiesystemen zoals die nodig zijn voor zelfrijdende auto’s om botsingen te voorkomen.
SPIDER-project
Als HORIZON-project wordt “SPIDER” (Spin Wave Computing for Ultimately-Scaled Hybrid Low-Power Electronics) gesteund met 3 miljoen euro aan Europese financiering (funding ID 801055). Het project loopt van 1 december 2022 tot 31 mei 2026 en omvat Fraunhofer IZM, de Technische Universiteit Delft, de Technische Universiteit Rheinland-Pfalz Kaiserslautern-Landau, het in Boekarest gevestigde National Microtechnology Research and Development Institute IMT en de bedrijven Thales en Akronic als projectpartners, gecoördineerd door het Interuniversitair Micro-Elektronica Centrum (IMEC) van Leuven.
