スピンを用いた新しい論理演算デバイスの室温動作実証に成功

ad
ad

次世代論理演算デバイスの実現に向けて大きく前進

2020-04-09 京都大学

安藤裕一郎 工学研究科特定准教授、白石誠司 同教授の研究グループは小池勇人 TDK株式会社テーマリーダー、鈴木義茂 大阪大学教授らと共同で、スピンの流れ(スピン流)を用いた「スピン流論理演算デバイス」の室温動作実証に成功しました。

スピンとは電子が有する磁石の性質であり、上向き、下向きの2種類が存在します。スピンの向きが揃った電子の流れは「スピン流」と呼ばれ、エネルギー消費の極めて少ない情報輸送や新しい演算手法の担い手として期待されています。これまでに開発されてきたスピン流デバイスは従来の電子デバイスにスピン機能を付加するものが主流でした。この場合、従来デバイスの一部をスピン流デバイスで置き換えることになりますが、複数のデバイスの組み合わせで実行する論理演算回路の動作原理は従来手法を踏襲するのが一般的でした。その結果、回路全体として期待できる性能向上も限定的でした。

本研究ではスピン流で論理演算を行う「スピン流論理演算デバイス」を実現したものです。これまでのスピン流デバイスと異なり、より高度な論理演算をスピン流が担うことになり、集積度、計算速度、省エネルギーの飛躍的な向上が期待できます。スピン流を用いた次世代情報デバイスの実現に向けた重要な一歩だと考えられます。

本研究成果は、2020年4月7日に、国際学術誌「Physical Review Applied」のオンライン版に掲載されました。

図:(左)スピン流論理演算デバイスの概念図(右)室温動作の結果

書誌情報

【DOI】 https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.044010

Ryoma Ishihara, Yuichiro Ando, Soobeom Lee, Ryo Ohshima, Minori Goto, Shinji Miwa, Yoshishige Suzuki, Hayato Koike, and Masashi Shiraishi (2020). Gate-Tunable Spin xor Operation in a Silicon-Based Device at Room Temperature. Physical Review Applied, 13(4):044010.

詳しい研究内容について
スピンを用いた新しい論理演算デバイスの室温動作実証に成功
―次世代論理演算デバイスの実現に向けて大きく前進―概要
京都大学大学院工学研究科の安藤裕一郎[あんどう ゆういちろう]特定准教授・白石誠司[しらいし まさし] 教授のグループは TDK 株式会社の小池勇人[こいけ はやと]テーマリーダー、大阪大学大学院基礎工学研究科の鈴木義茂[すずき よししげ]教授のグループらと共同で、スピンの流れ スピン流)を用いた スピン流論理演算デバイス」の室温動作実証に成功しました。スピンとは電子が有する磁石の性質であり、上向き、下向きの 2 種類が存在します。スピンの向きが揃った電子の流れは スピン流」と呼ばれ、エネルギー消費の極めて少ない情報輸送や新しい演算手法の担い手として期待されています。これまでに開発されてきたスピン流デバイスは従来の電子デバイスにスピン機能を付加するものが主流でした。この場合、従来デバイスの一部をスピン流デバイスで置き換えることになりますが、複数のデバイスの組み合わせで実行する論理演算回路の動作原理は従来手法を踏襲するのが一般的でした。その結果、回路全体として期待できる性能向上も限定的でした。今回の研究ではスピン流で論理演算を行う スピン流論理演算デバイス」を実現したものです。これまでのスピン流デバイスと異なり、より高度な論理演算をスピン流が担うことになり、集積度、計算速度、省エネルギーの飛躍的な向上が期待できます。スピン流を用いた次世代情報デバイスの実現に向けた極めて重要な成果です。
本研究成果は、2020 年 4 月 6 日 (米国東部夏時間、日本時間 4 月 7 日)に米国物理学会誌 Physical Review Applied」のオンライン版に公開されました。
スピン流論理演算デバイスの概念図 左)と室温動作の結果 右).1. 研究の背景と意義
現代のエレクトロニクス産業はトランジスタに代表される半導体デバイスにより支えられています。例えば、コンピューターの中央演算処理装置 CPU)部分には高速で動作可能なトランジスタが無数に配置されており、電圧の高低を 「1」、「 0」のデジタル信号として様々な論理演算 (*1)を行っております。しかし近年、コンピューターの消費電力は爆発的に上昇しており、デバイスの低消費エネルギー化が重要な課題となっております。デバイスの消費エネルギーを抑えるには、電子が物質の中を運動するときに発生するジュール熱を低減する必要があります。その1つの方法として電気信号の代わりに電子がもつ磁石としての性質 (スピン)を信号として用いる 「スピントロニクス(*2)」という新しい技術が注目を集めています。磁石に N 極・ S 極があるように、電子のスピンには上向きと下向きの状態があり、これがデジタル信号の 「0」と 「1」に対応させることが可能です。このスピンは電流と同じように離れた場所に輸送することができ、 「スピン流(*3)」と呼ばれます。スピン流はエネルギー消費の極めて小さい情報輸送手段や情報記憶デバイスの駆動、更には全く新しい演算手法の担い手として期待されています。
スピン流を用いたデバイスはこれまでに数例提案されており、そのいくつかは動作実証に至っております。その代表例にスピントランジスタが挙げられます。本デバイスは従来のトランジスタに類似した動作特性を示しますが、その動作特性をスピンにより変調することが可能なデバイスです。即ち、図1(b)に示すように 2 種類の異なる特性を有するトランジスタをスピンによって疑似的に切り替える機能を有しています。これにより論理演算回路の性能向上(省エネルギー化、集積化など)を実現します。このような研究は 2007 年頃から世界中で活発に進められてきました。京都大学・ TDK などの共同研究グループは、2014 年にこのスピントランジスタを世界に先駆けて室温動作させることに成功し、2016 年にはその性能を大きく向上させることにも成功しています。ただし、本手法の場合には電流が論理演算を担うことになり、回路レベルでの動作原理は従来手法とあまり変わらないのが特徴です。

タイトルとURLをコピーしました