MESO statt CMOS: Die Halbleiterwelt rüstet sich für ihren Untergang

| Redakteur: Michael Eckstein

Ersatz für CMOS: MESO-basierte Logikzellen machen sich Quanteneffekte zunutze.
Ersatz für CMOS: MESO-basierte Logikzellen machen sich Quanteneffekte zunutze. (Bild: Intel)

Magneto-elektrische Spin-Orbit-Materialien haben das Potenzial, CMOS als Basis für Speicher- und Logik-ICs abzulösen. Davon sind Forscher von Intel und der University of California in Berkeley überzeugt.

Die Halbleiterwelt rüstet sich für ihren Untergang: Noch bevor die CMOS-Technologie ausgereizt ist, sollen rechtzeitig Alternativen bereitstehen. Ein vielversprechender Kandidat ist die MESO-Technologie auf Basis magneto-elektrischer Spin-Orbit-Materialien. Auf ihrer Habenseite stehen hohe Logikdichte und hohe Energieeffizienz. So sollen MESO-Zellen bis zu hundertmal weniger Leistung benötigen als CMOS-Transistoren.

Vor rund 70 Jahren legte der erste Halbleiterschalter die Grundlage für die CMOS-Transistortechnologie, die heute die Basis für die meisten integrierten Schaltungen bildet und in praktisch allen elektrifizierten Produkten steckt – vom Auto über Smartphones und Supercomputer bis hin zu Zugticket-Automaten. Noch sind komplementäre Metalloxid-Halbleiter (CMOS, complementary metal-oxide-semiconductor) nicht ausgereizt, wie jüngste auf EUV-basierende (extreme ultra-violet) Prozesstechnologien eindrucksvoll zeigen. Damit lassen sich winzige Strukturgrößen von 7, 5 oder zukünftig gar 3 Nanometer realisieren.

Revolution statt Evolution

Doch zukünftige Anforderungen an die Rechenleistung und Energieeffizienz werden die CMOS-Technologie irgendwann an ihre Grenze bringen. Für die Zeit nach CMOS suchen Akteure aus Wissenschaft und Wirtschaft daher nach Möglichkeiten, die Integrationsdichte und Schaltgeschwindigkeiten der aktiven Elemente zu erhöhen und gleichzeitig die Energieaufnahme zu senken. „Wir suchen nach revolutionären, nicht evolutionären Ansätzen für die Datenverarbeitung in der Zeit nach CMOS“, sagt Ian Young, Intel Senior Fellow und Director der Exploratory Integrated Circuits Group in der Technology and Manufacturing Group von Intel.

Auf diesem Weg ist man nun offenbar einen großen Schritt vorangekommen: Forscher von Intel und der University of California in Berkeley haben Quantenmaterialien vorgestellt, die die bewährte CMOS-Transistortechnik ersetzen und neuartige Speicher- und Logik-ICs hervorbringen könnte. In ihrem Forschungsbericht beschreiben die Partner eine magneto-elektrische Spin-Orbit-Logikzelle, kurz „MESO“. Intel reklamiert für sich, diese MESO-Technologie erfunden zu haben, indem man magneto-elektrische mit Spin-Orbit-Materialien kombiniert habe. Sie ermögliche es, die Logik-Packungsdichte deutlich zu erhöhen, so dass gegenüber CMOS „fünfmal mehr logische Operationen auf der gleichen Fläche durchgeführt werden können“.

Multiferroika und Spin-Orbit-Materialien

Grundlage der MESO-Technologie sind Multiferroika. Das sind Materialien, in denen zwei oder mehr ferroische Ornungsphänomene parallel existieren. Das kann beispielsweise ein Stoff sein, der gleichzeitig ferroelektrisch und ferromagnetisch ist. Man spricht dann von Ferroelektromagenten. Während in Ferromagneten die magnetischen Momente aller Eisenatome so ausgerichtet sind, dass ein Permanentmagnet entsteht, werden in ferroelektrischen Materialien die positiven und negativen Ladungen der Atome ausgeglichen. Es entstehen elektrische Dipole, die sich im gesamten Material ausrichten und ein permanentes elektrisches Moment erzeugen.

Bei Intel hatte Young vor gut acht Jahren gemeinsam mit Sasikanth Manipatruni, heute Senior Staff Scientist und Director des Intel Science and Technology Center on Functional Electronics Integration and Manufacturing, sowie Dmitri Nikonov eine Gruppe gegründet, um Alternativen zu Transistoren zu untersuchen. Vor fünf Jahren begannen sie, sich auf Multiferroika und Spin-Orbit-Materialien zu konzentrieren, sogenannte „topologische“ Materialien mit einzigartigen Quanteneigenschaften. „Bei unseren Analysen führten alle Wege zu Ramesh“, sagt Manipatruni.

Ramamoorthy Ramesh hatte Multiferroika an der University of Califorinia in Berkeley University und am Lawrence Berkeley National Laboratory entwickelt und seine Forschungsergebnisse erstmals im Jahr 2001 vorgestellt. „Wir haben entdeckt, dass es Materialien gibt, bei denen man durch Anlegen einer Spannung die magnetische Ordnung ändern kann“, sagt Ramesh. Früh sei die Frage aufgekommen, für welche Anwendungen sich diese Materialien nutzen lassen – die jetzt vorgestellten MESO-Zellen sei darauf die passende Antwort. Sie nutzen unter anderem Spin-Transduktionseffekte, die von Albert Fert an der Unité Mixte de Physique CNRS/Thales beschrieben wurden.

Spannungsgesteuert magnetisch schalten

MESO basiert auf einem multiferroiden Material aus Wismut, Eisen und Sauerstoff (BiFeO3), das beides ist: sowohl magnetisch als auch ferroelektrisch. Das Material ist besonders, da es bereits bei Raumtemperatur Quantenverhalten ermöglicht. „Hauptvorteil ist, dass diese beiden Zustände – magnetisch und ferroelektrisch – miteinander gekoppelt sind“, erklärt Ramesh. Wird ein Zustand manipuliert, beeinflusse dies den anderen. „Durch die Manipulation des elektrischen Feldes lässt sich so der magnetische Zustand ändern.“

Für diese Wechselwirkung zwischen Magnetisierung und elektrischer Polarisation ist der magnetoelektrischen Effekt verantwortlich. In einer MESO-Zelle schaltet ein elektrisches Feld das elektrische Dipolfeld im gesamten Material um. Dies wiederum führt zu einem Umschalten des Elektronen-Spins, der das magnetische Feld erzeugt. Verantwortlich dafür ist die so genannte Spin-Orbit-Kopplung – ein Quanteneffekt, der einen durch die Spin-Richtung der Elektronen definierten Strom erzeugt. Binäre Bits lassen sich in diesen Materialien als magnetische Spin-Zustände dauerhaft und schnell sichern.

Der entscheidende Durchbruch sei Dank der rasanten Entwicklung von topologischen Materialien mit Spin-Orbit-Effekt gelungen, führt der Wissenschaftler aus. Damit sei es möglich, den Zustand des Multiferroiden effizient und eindeutig auszulesen – eine Grundvoraussetzung für digitale Schaltungen.

Hohe Energieeffizienz essenziell für zukünftige Anwendungen

Ein wichtiger Aspekt für eine hohe Energieeffizienz von Logikschaltungen ist die für den Betrieb nötige elektrische Versorgungsspannung: Nach Angaben der Forscher funktionieren die neuartigen, MESO-basierten Schaltungen bereits mit rund 500 mV. Zum Vergleich: Die aktuell fortschrittlichste CMOS-Technologie arbeitet mit 1,8 V. Doch das reicht Young noch nicht: „Wir sind stolz auf die bislang erreichten Ergebnisse. Doch unser Ziel ist es, die Schaltspannung noch deutlich weiter zu reduzieren.“ Letztlich sollen 100 mV für den Betrieb ausreichen. Daraus solle ein extrem niedriger Stromverbrauch resultieren.

Der binäre Schaltvorgang könnte dann mit einem Zehntel bis einem Dreißigstel der Energie auskommen, die bei CMOS benötigt wird, erklärt Sasikanth Manipatruni. Manipatruni leitet die Hardwareentwicklung für das MESO-Projekt innerhalb Intels Components Research Group in Hillsboro, Oregon. Er ist überzeugt: „Wenn CMOS ausgereizt ist, werden wir über sehr leistungsfähige Technologieoptionen verfügen, mit denen sich die Computertechnologie für eine weitere ganze Generation von Menschen vorantreiben lässt.“

Internet of Things und KI als Technologietreiber

Eine hohe Energieeffizienz sei Grundvoraussetzung dafür, dass immer mehr Rechenleistung auch in kleinsten elektronischen Geräten gefordert würde – Stichwort KI am Edge. „Ohne neue, extrem sparsame Transistortechnologien sind diese Entwicklungen – und auch Amerikas Vorreiterrolle beim Herstellen von Computerchips – gefährdet“, sagt Ramesh.

Maschinelles Lernen, künstliche Intelligenz und IoT, Smart Home und Smart Car würden für einen weit verbreiteten Einsatz von Elektronik sorgen, erläutert der Wissenschaftler, der bis vor kurzem Associate Director for Energy Technologies des Berkeley Labs war. „Wenn wir bestehende Technologien dafür nutzen und keine weiteren Entdeckungen machen, wird der Energieverbrauch enorm sein. Wir brauchen neue wissenschaftsbasierte Durchbrüche.“

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