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Neuartiger Nano-Schalter: Revolution für Computerchips?

Autor: Michael Eckstein

Im „magnonischen Halbaddierer“ übernehmen Magnonen, also Spinwellen-Quanten, die Informationsübertragung. Der aus drei Nanodrähten bestehende Mikroschalter soll viel weniger Energie als Transistoren in modernen Computerchips benötigen – und könnte ein Grundbaustein neuartiger neuromorpher Computer werden.

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Atomarer Mikroschalter: Wo sich die Leitungen des Richtkopplers einander nähern, springt die Spinwelle von einer Nanodraht-Leitung zu einer anderen Nanodraht-Leitung.
Atomarer Mikroschalter: Wo sich die Leitungen des Richtkopplers einander nähern, springt die Spinwelle von einer Nanodraht-Leitung zu einer anderen Nanodraht-Leitung.
(Bild: Niels Paul Bethe, SYNC audiovisual design)

Einem Team aus Physikern ist es gelungen, einen integrierten Schaltkreis aus magnetischem Material und Magnonen zu entwickeln. Der weniger als Mikrometer kleine Nano-Schalter kann binäre Daten übertragen und schalten – und somit die Aufgabe eines Transistors übernehmen. Damit haben die Wissenschaftler möglicherweise den Grundbaustein für einen neuartigen Computerschaltkreis konstruiert.

Der in einem Verbundprojekt unter der Leitung der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) und der Universität Wien entstandene „magnonische Halbaddierer“ könnte ein Meilenstein auf der Suche nach kleineren und energieeffizienteren Bauteilen für die computergestützte Datenverarbeitung sein. Zumal er nach Angaben von Jun.-Prof. Dr. Philipp Pirro von der TUK rund zehnmal weniger Energie benötigen soll als moderne Computerchips, die CMOS-Technologie verwenden. Hinzu kommt, dass sich logisch Funktionen mit viel weniger Einzelkomponenten realisieren lassen sollen.

Der aktuelle Magnon-Prototyp ist zwar nicht so schnell wie ein CMOS-Pendant. „Jedoch eröffnet die erfolgreiche Demonstration nun die Chance, den magnonischen Halbaddierer im Hinblick auf Anwendungen im Quanten- oder neuromorphen Computing weiter zu erforschen“, sagt Pirro.

Schalten mit Spinwellen-Quanten

Die Komponenten des Nanoschaltkreises messen weniger als ein Mikrometer. Er setzt sich aus drei Nanodrähten zusammen, die aus dem magnetischen Material Yttrium-Eisen-Granat bestehen. Eng aneinander liegend positioniert bilden die Drähte zwei Richtungskoppler, die die Magnonen durch die Drähte führen. Magnonen sind Quanten von Spinwellen – man kann sie sich wie Wellen auf der Oberfläche eines Teiches vorstellen, nachdem ein Stein hineingeworfen wurde. In diesem speziellen Fall werden die Wellen allerdings durch Verzerrungen in der magnetischen Ordnung eines festen Materials auf der Quantenebene gebildet.

Das Team hat viel Arbeit investiert, um die optimale Nanodrahtlänge und den besten Abstand der Drähte zueinander herauszufinden, mit der bzw. mit dem sich die gewünschten Ergebnisse erzielen lassen. Qi Wang arbeitete an dem Projekt für seine Doktorarbeit an der TUK. „Ich habe ein paar hundert Simulationen für verschiedene Typen von Halbaddierern durchgeführt“, sagt er. Beim aktuellen Prototyp handele es sich um den dritten oder vierten Entwurf.

Zwei Richtkoppler bilden Halbaddierer

Er funktioniert so: Der erste Koppler, bei dem zwei Drähte sehr nahe aneinander liegen, teilt die Spinwelle in zwei Hälften. Eine Hälfte geht zum zweiten Koppler, wo sie zwischen den Drähten hin- und herspringt. Abhängig von der Amplitude tritt die Welle entweder am oberen oder am unteren Draht aus, was einer binären „1“ bzw. „0“ entspricht.

Da die Schaltung zwei Richtkoppler enthält, die zwei Informationsströme addieren, bildet sie einen Halbaddierer, eine der universellsten Komponenten von Computerchips. Millionen dieser Schaltkreise können kombiniert werden, um immer komplexere Berechnungen und Funktionen durchzuführen. „Was in normalen Computern typischerweise Hunderte von Komponenten und 14 Transistoren erfordert, benötigt hier nur drei Nanodrähte, eine Spinwelle und nichtlineare Physik“, bringt es Pirro auf den Punkt.

Vier Jahre Forschung bis zum Prototyp

Der Prototyp ist das Ergebnis einer vierjährigen Forschungstätigkeit, die durch einen Starting Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC) für Andrii Chumak finanziert werden konnte. Eng eingebunden waren Jun.-Prof. Dr. Philipp Pirro von der TUK und Dr. Qi Wang, der derzeit als Postdoc an der Universität Wien tätig ist. Univ.-Prof. Chumak begann die Arbeit an der TUK und leitet nun eine Forschungsgruppe an der Universität Wien.

„Wir sind sehr glücklich, dass uns das Vorhaben jetzt gelungen ist“, sagt Chumak. Das Ergebnis sei sogar besser als erwartet. Der erste Entwurf für den Magnonen-Schaltkreis sei noch sehr komplex gewesen. Wang, der Hauptautor der Arbeit, habe das Design im Projektverlauf mindestens hundertmal verbessert. „Wir sehen jetzt, dass magnonenbasierte Schaltungen genauso gut sein können wie CMOS“, sagt Chumak.

Mögliche Grundlage für neuartige neuromorphe magnonische Computer

Das allein reiche jedoch noch nicht aus, um die Industrie zu begeistern. Dafür müsste der Schaltkreis wahrscheinlich noch mindestens hundertmal kleiner sein und hundertmal schneller arbeiten, meint der Initiator. „Nichtsdestoweniger eröffnet unser Bauteil fantastische Möglichkeiten jenseits binärer Daten, zum Beispiel für quantenmagnonisches Rechnen bei sehr niedrigen Temperaturen.“ Pirro fügt hinzu: „Wir sind auch interessiert daran, den Schaltkreis für neuromorphe magnonische Computer anzupassen, die sich an der Arbeitsweise unseres Gehirns orientieren.“

Pirro, der zurzeit an der TUK im Rahmen des Sonderforschungsbereichs „Spin+X“ das Fachgebiet des Spintronic-Computing (Spintronic = Spin Elektronik) leitet, wird jetzt den Einsatz des Magnon-Schaltkreises für das neuromorphe Rechnen erforschen. Hierbei geht es nicht um Datenverarbeitung nach dem binären Prinzip, sondern vielmehr darum, sich der Funktionsweise des menschlichen Gehirns anzunähern.

Spinwellen für rauschtolerante komplexe Designs

Denn Spinwellen sind für ein komplexeres und rausch-tolerantes Design wesentlich besser geeignet. Sie haben auch das Potenzial, deutlich mehr Informationen zu transportieren, weil sie zwei Parameter bieten – die Amplitude, also die Wellenhöhe, und die Phase, sprich den Wellenwinkel. Beim aktuellen Ansatz hatte das Team die Phase noch nicht als Variable verwendet, um ihn für die binäre Datenverarbeitung möglichst einfach zu halten.

„Wenn dieses Gerät bereits mit CMOS konkurrieren kann, obwohl es nicht die volle Leistung des wellenbasierten Ansatzes nutzt, können wir ziemlich sicher sein, dass ein Konzept, das das volle Leistungsspektrum der Spinwelle nutzt, in speziellen Bereichen effizienter sein kann als CMOS“, sagt Pirro. Das ultimative Ziel sei natürlich die Kombination der Stärken der CMOS- und der Magnonik-Technologie.

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