La lógica MESO como futuro sustituto de la lógica CMOS

El futuro es imposible de predecir, salvo para quien decide cómo se desarrollará. La ley de Moore ha sido la hoja de ruta de la industria microelectrónica hasta 2016. Su futuro depende de la transición más allá de la lógica CMOS. Un fascinante artículo publicado en Nature nos propone que la lógica MESO renovará la gloria de la ley de Moore. Tras analizar más de 25 propuestas, brilla con luz propia la lógica MESO; por desgracia, hoy solo hay prototipos de laboratorio de transistores MESO. Pero si se confirma el augurio, los estudiantes de informática del futuro estudiarán la lógica CMOS como ahora estudian las válvulas de vacío.

Un dispositivo CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor) se basa en control de la conductividad de un semiconductor usando el campo eléctrico que atraviesa un puerta dieléctrica que se comporta como un aislante de alta calidad. . Un dispositivo MESO (MagnetoElectric Spin-Orbit) usa la transducción espín-órbita (gracias a que el momento angular y el momento lineal del electrón están acoplados) combinado con un conmutador magnetoeléctrico; para ello hay que usar materiales cuánticos avanzados que muestren estados topológicos de la materia. La lógica MESO permite energías de conmutación entre 10 y 30 veces menores que la CMOS, voltajes de conmutación 5 veces menores y una densidad de integración unas 5 veces mayor. La fabricación en masa de los dispositivos MESO será todo un reto para las próximas décadas.

Te recomiendo leer el artículo (y su información suplementaria) de Sasikanth Manipatruni, Dmitri E. Nikonov, …, Ian A. Young, “Scalable energy-efficient magnetoelectric spin–orbit logic,” Nature (03 Dec 2018), doi: 10.1038/s41586-018-0770-2. Sobre la ley de Moore en este blog puedes leer “El futuro de la ley de Moore, el memristor y la Fórmula 1”, LCMF, 28 Abr 2011, “El futuro de la ley de Moore”, LCMF, 10 Feb 2016, “La ley de Moore llegará al nanómetro gracias al fosforeno”, LCMF, 17 May 2016, “La ley de Schoelkopf: la ley de Moore de los ordenadores cuánticos”, LCMF, 16 Nov 2017, etc.

Un dispositivo MESO combina dos mecanismos de transducción escalables con la tecnología actual: la conmutación ferroeléctrica/magnetoeléctrica y la conversión topológica de espín en carga. Por supuesto, la entrada del dispositivo es una corriente eléctrica y su salida es otra corriente eléctrica, aunque en su funcionamiento intervengan espines y campos magnéticos. Como muestra la figura, el dispositivo MESO es una nanoestructura formada por varias capas en la nanoescala: un ferromagnético (rojo) conecta un material magnetoeléctrico (azul oscuro) y un acoplador espín-carga, formado por una capa que inyecta electrones cuyo espín está polarizado (amarillo) y una capa que que acopla estos espines al momento orbital; todo ello entre dos contactos eléctricas que inyectan una corriente eléctrica, e interconectado mediante nanohilos a otros dispositivos MESO.

En el artículo publicado en Nature se publica un modelo del dispositivo para SPICE y un conjunto de experimentos realizados con un prototipo (proof-of-concept). Se trata de una estructura Pt/CoFe/Cu/CoFe/LBFO/LSMO, donde LBFO es La0.1Bi0.9FeO3 y LSMO es La0.7Sr0.3MnO3. La geometría del dispositivo es engañosamente simple, como muestran estas imágenes mediante microscopia electrónica. Pero los autores afirman que el dispositivo es fácilmente escalable, tanto en tamaño, como en número de elementos interconectados.

Una ventaja de MESO es que permite usar interconexiones nanometálicas con alta resistividad (> 1 mΩ cm), entre 20 y 100 veces menos exigente que los requisitos en CMOS. En esta figura se ilustran dos inversores interconectados, con flechas indicando las direcciones de las corrientes de entrada y salida en cada uno. El ferromagneto (FM, rojo) inyecta espines (corriente Is) en la dirección +z todos ellos polarizados en la dirección +y (flechita roja) en la capa de inyección de espines (SIL, amarillo). El acoplamiento espín órbita (SOC, azul) provoca que la dirección de algunos espines se invierta a −y (flechita celeste), que divide la corriente de espines en dos, lo que produce una corriente eléctrica Ic en la dirección +x. En el otro extremo el ferromagneto (FM, rojo) está sobre un material magnetoeléctrico (ME, azul oscuro) que produce una corriente de carga (Ic) en la dirección −x. En la conmutación la corriente de carga de entrada (input Ic) cambia su dirección a la salida (output Ic), es decir, si la entrada es negativa, la salida es positiva, y viceversa. Mira esta figura y la que abre esta entrada para intentar entender mejor el proceso de conmutación.

Usando simulaciones en SPICE se ha estudiado el rendimiento de una unidad aritmético-lógica (ALU) de 32 bits. Esta figura ilustra la potencia eléctrica por unidad de área en función del rendimiento de la ALU, el número de billones de operaciones enteras por segundo y por unidad de área (TIOPS, Tera-Integer Operations Per Second). La comparación de MESO (estrellas de color) con la lógica CMOS de alto rendimiento (CMOS HP) y de bajo consumo (CMOS LV), así como otras lógicas alternativas más allá de CMOS, muestra un rendimiento excelente.

Esta figura muestra la latencia (tiempo de ejecución) de las operaciones aritméticas en la ALU de 32 bits en función del área del limitada por la potencia (más o menos el incremento de área del dispositivo necesario para alcanzar una densidad de potencia umbral, aquí de 10 W/cm²). La velocidad de MESO es comparable a la de otras tecnologías alternativas a CMOS, similar a CMOS LV, aunque todavía lejos de CMOS HP. Futuros avances en la tecnología MESO deberían mejorar este comportamiento.

En resumen, la lógica MESO parece muy prometedora (al menos tras ser comparada con unas 25 tecnologías alternativas a CMOS). Sin embargo, no nos engañemos, aún estamos a décadas vista de la producción masiva de dispositivos con esta tecnología. Más aún, quizás su nicho no sean los procesadores para ordenadores personales y acabe siendo usada en, por ejemplo, procesadores para inteligencia artificial. Predecir el futuro es imposible, pero es fascinante bucear en las propuestas actuales más prometedoras.



4 Comentarios

  1. Hola Francis
    Cual pensas vos que es el siguiente paso mas alla de los 1nm de cmos ? Redes de nanotubos? o cual es la mas prometedora las mas realista para ordenadores personales?

    1. Benjamin, 1 nm son dos moléculas de dióxido de silicio, o entre tres y cuatro átomos de silicio u oxígeno; la única posibilidad son los materiales bidimensionales (una hoja de grafeno, o un hoja de cualquier otro material bidimensional con salto de banda, hay decenas). ¿Cuál será el más realista en ordenadores personales? Ni idea, quizás el siliceno, pero no tengo ni idea; ahora mismo hay muchas posibilidades potenciales muy poco exploradas.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 7 diciembre, 2018
Categoría(s): ✓ Ciencia • Informática • Nanotecnología • Nature • Noticias • Science
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