Schaltungen und Systeme für nichtflüchtige nanomagnetische Logik

• Antragstellerin: Professorin Dr. Doris Schmitt-Landsiedel
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 229838035

Nanomagnetische Logik (NML) nutzt die magnetische Feldkopplung zwischen Nanomagneten und ist somit eine nicht ladungsbasierte "Beyond CMOS" Technologie. Sie ermöglicht besonders dichte, robuste und verlustarme, leckstromfreie integrierte Systeme. Die Verfügbarkeit von nichtflüchtigen logischen Zuständen ermöglicht verzögerungsfreies Aus- und Einschalten sowie neuartige Architekturen und Funktionalitäten. In unserem laufenden DFG-Projekt "Field-coupled circuits in magnetic multilayers" (2009-2012), haben wir anders als die meisten anderen Gruppen eine Technologie für Nanomagnete mit vertikaler Magnetisierung erforscht. Dies führt zu einem robusten und präzise einstellbaren Schaltverhalten, zu mehr Freiheitsgraden in der Geometrie und der Anordnung der Magnete und schließlich zu höherer Packungsdichte. Als Basis für das Fortsetzungsprojekt haben wir nun eine Prozesstechnologie, mit der wir die Schaltschwelle einzelner Magnete und die Richtung des Signalflusses in Ketten und logischen Blöcken vorgeben können. Wir haben experimentell verifizierte Modelle für die Abhängigkeiten zwischen Technologieparametern, Geometrie und Schaltverhalten. Weiterhin konnten wir die grundlegenden Logikfunktionen Inverter, Verzweigung und Mehrheitsgatter demonstrieren, wobei wir ein globales Magnetfeld als Takt und Energieversorgung nutzen.Jetzt ist es an der Zeit, komplexere Schaltungen und komplette Systemarchitekturen zu betrachten. Dafür wollen wir ein SPICE-ähnliches Modell für die Magnetisierung einzelner Magnete und die Dynamik ihrer Wechselwirkung mit Nachbarmagneten unter Wirkung des Taktfelds entwickeln, ebenso wie Verhaltensmodelle für die Simulation größerer Systeme. Damit werden wir Takt- und Synchronisierungs-Konzepte entwerfen, wozu auch Pufferstufen entsprechend den CMOS-Flipflops gehören. Auch die Erzeugung von externen Taktfeldern und deren Einfluss auf das Schaltverhalten soll untersucht und optimiert werden. Zudem wollen wir unsere vorhandenen Modelle und Messdaten nutzen, um Fehlerraten aufgrund von nicht idealen Herstellprozessen und thermischem Rauschen zu berechnen und Methoden für robusten Entwurf und Fehlerkorrekturmaßnahmen zu untersuchen.Als völlig neuen Ansatz schlagen wir vor, vertikale Feldkopplung in z-Richtung für eine echte dreidimensionale Integration zu nutzen. Dies ermöglicht bei mehreren Lagen eine sehr hohe Packungsdichte und sehr flexible Architekturen. Dieser Vorschlag basiert auf erfolgreichen Vorversuchen zur vertikalen Kopplung in unserer Technologie. Damit und auch mit der herkömmlichen 2D-Anordnung wollen wir größere Systeme entwerfen, v.a. eine Arithmetisch-logische Einheit und FPGAs. Diese profitieren ganz besonders von NML aufgrund der inhärenten Nichtflüchtigkeit, der Programmierbarkeit während des Betriebs und vor allem von der 3D-Integration, in der eine eigene Ebene für die Programmierfunktionen genutzt werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Professor Dr.-Ing. Markus Becherer