Spintroniikka näyttää kykynsä

Japanilaisten tutkijoiden spintroniikkaan perustuvan mikro-ohjaimen alhainen virrankulutus alittaa yleisimpien pienenergian keruun menetelmien tuottaman tason.

Japanilaisen Tohoku yliopiston tutkijat kertoivat äskettäisessä 2019 IEEE International Solid State State Circuit -konferenssissa kehittäneensä mikro-ohjaimen (MCU), joka saavuttaa sekä korkean suorituskyvyn että erittäin pienen tehonkäytön hyödyntämällä spintroniikkaan perustuvaa VLSI-suunnittelua.

Pienen tehonkäytön ja suorituskykyisten mikro-ohjaimien kysyntä on kasvanut tehonkäytölle kriittisten Internet-of-Things (IoT) -antureiden solmujen sovelluksissa. Tällaisien sovelluksien vaatimia mikro-ohjaimia on aktiivisesti tutkittu ja kehitetty, mutta tavoiteltua toimintanopeutta ja signaalinkäsittelyä yhdistettynä pienenergian keruun tuottamaan tehonkulutukseen ei ole aiemmin saavutettu.

Professorien Tetsuo Endohin, Takahiro Hanyun ja Masanori Natsuin tutkimusryhmän kehittämän mikro-ohjaimen tehonkulutus on 200 megahertsin kellotuksella 47,14 mikrowattia.

Tämän spintroniikkaan perustuvassa MCU:ssa kaikki moduulit tehdään haihtumattomiksi spintronisilla piirirakenteilla ja tuhlaavaa tehonkulutusta poistetaan hallitsemalla jokaisen moduulin teholähdettä itsenäisesti.

Lisäksi logiikan ja muistin datansiirron pullonkaula vapautuu muistiohjaimella, joka voi nopeuttaa koko järjestelmää ja uudelleen konfiguroitava kiihdytysmoduuli voi ajaa sovelluskohtaista signaalinkäsittelyä.

Tämä MCU-siru tarjoaa sekä maailman korkeimman prosessoinnin suorituskyvyn että energiatehokkuuden IoT-anturisolmuille, joita käytetään kerätyllä energialla, joka on peräisin ulkoisista lähteistä, kuten aurinkoenergiasta, lämpöenergiasta.

Tutkijoiden testeissään saavuttama tehonkäyttö 200MHz:llä 47,14μW tarkoittaa 0,235 μW/MHz kun se esimerkiksi NXP:n pienen tehonkäytön ARM 4 -pohjaisella 32 bittisellä on luokkaa 140 μW/MHz.

Tohoku yliopiston Tetsuo Endohin johtama Center for Spintronics Integrated Systems on paneutunut spintronisiin tekniikoihin ja tutkinut muun muassa valmiustilan tehoa käyttämättömän FPGA:n toteutusta hakutaulukolla, jossa hyödynnetään spin-siirto-momentin magneettista tunneliliitosta (STT-MTJ) ja MOS-transistoreita.

Tutkijoiden mukaan MTJ-piirirakenne on paras ehdokas käytännöllisesti katsoen rajoittamattomalle kestävyyden, CMOS-yhteensopivuuden ja 3D-pinottavuuden kannalta. He ovat toteuttaneet esimerkiksi MTJ-pohjaisen, haihtumattoman LUT-piirin suunnitelman, jossa on datan päivittäminen minimoidulla siirtymävaiheella Ultra-Low-Power FPGA:lle.

Aiheesta aiemmin:

Hallitumpaa spintroniikkaa

Vauhtia käytännön spintroniikalle

Kytkin spinvirralle