グラフェン半導体素子時代?

 

 　　　　　　　　　　
　　　　　　　僖公二十七・八年：城濮（じょうぼく）の戦い　／　晋の文公制覇の時代 　 

 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　※　開戦に先立つもの：天下制約の戦機は熟した。これに先立ち文公の周到な
　　　　　　準備があった。この節では、かれの政治方針が紹介され、結末への、ひと
　　　　　　つの伏線となる。

　　　　※　晋の文公は、亡命生活を終えて本国に帰ると、人民の教化に専念した。そ
　　　　　　して、二年だつと、いよいよ天下の制覇に乗り出そうとした。そのとき子
　　　　　　犯は、「人民はまだ義の何たるかをわきまえず、その生活は十分落ち着い
　　　　　　たとは申せません」と、これをいさめた。そこで文公は、外交政策として
　　　　　　周王の地位を安定させ、内政面では人民本位の政策をとって民生を安定さ
　　　　　　せた。文公はこれでよしと戦いの準備にかかろうとしたが、子犯はふたた
　　　　　　びいさめた。 「まだいけません。人民はまだ信の何たるかをわきまえておらず、
　　　　　　　　　たがいの信頼に欠けております」　そこで文公は、原の戦いで兵士たちに信の手
　　　　　　　　　本を示した。その結果、人民の間の商取引は正当に行なわれるようになり、だま
　　　　　　　　　しあいは影をひそめた。

　　　　　※　文公は今度こそと思ったが、子犯はまだうなずかなかった。「いえ、人民
            はまだ礼の何たるかをわきまえておらず、目上の者をうやまう心に欠けて
            おります」そこで文公は披廬（ひろ）に兵を集め大演習を行なって礼の手
　　　　　　本を示し、目付役を設 けて官位を整えた。この結果、人民は目上の言葉
　　　　　　を素直に受けいれるようになった。文公が天下の制川に乗りだしたのは、
　　　　　　このような準備を終えた後であった。この後、晋軍は穀の琴平を追いはら
　　　　　　い、宋の包囲を解かせ、ついで城濮（じょうぼく）の戦いで楚を破り、文
　　　　　　公は天下に覇をとなえることになる。すべて、文公が人民の教化に力を注
　　　　　　いだ成果なのである。

　　　　　〈原の戦い〉　文公は兵士たちに戦いを三日間で終わらせると約した。期限
　　　　　　が来ると、落城寸前であったにもかかわらず、引きあげを命じ、兵士との
    　　　　約束を守った。僖公二三年（－632）の伝に見える。

   

University of Central Florida Assistant Professor Ryan M. Gelfand

【グラフェン半導体素子? 百分の１の電力で千倍高速処理】

従来のシリコン基材の半導体素子は、電流のオン／オフを切り替えるエレクトロニクスに革命をもたら
す。電流を制御し、✪より小型の電算装置やその他の電子機器の生産を可能になる。ここ数十年にわた
り、小型化の急速な進歩により、ワードローブ、デスクトップ、ラップトップ、携帯ハンドヘルドスマ
ートフォンまでダウンサイジングされる。近年、進歩が減速しムーアの法則の限界が懸念されている。
今月５日、米センタラルフロリダ大学の研究者たちは、シリコン上ではなく、単一原子の厚さの二次元
炭素材料のグラフェンリボン基材て、次世代トランジスタを理論化し、ネイチャーコミュニケーション
ズに報告する。これによると、シリコン半導体素子に比べ、グラフェン半導体素子は、百分の１の消費
電力で、千倍速でデータ処理できると考えている。宇宙開発や気候科学、ウォールストリートでのより
大きいく精度の優れたシミュレーションなどの技術革新を継続には、高速電算装置を必要とする。

そのためには、もはやシリコン半導体素子に頼れない。と、ナノバイオ光電子工学研究所のライヤン・
M・ゲルファンドが述べている。実際、彼のチームは、グラフェンリボンに磁場をかけることで、グラ
フェンを流れる電流抵抗を変えることに成功する。この素子の磁界は、隣接するカーボンナノチューブ
を通る電流量を制御させる。磁場の強さは、パイプを通る水の流れを制御する弁のように、この新しい
半導体素子を通る電流流れと一致し半導体素子のオン／オフスイッチとして機能を発揮。 しかしなが
ら、異なる配列の一連の論理ゲート用論理回路が複雑な算術論理の解析を実行には、シリコン半導体素
子のクロック速度は、ここ10年以上にわたり停滞し、主に３～４ギガヘルツの範囲にとどまっている。

カスケード接続された一連のグラフェントランジスタベースの論理回路は、各グラフェンナノリボン間
の通信は電磁波を介して行われるため電子の物理的な動きの代わりに。クロック速度がテラヘルツの範
囲に近づいている。また、デバイスメーカは、小型化と効率化により、より多くの機能を絞りみが可能
となる。このコンセプトは、既存のナノスケール技術を組み合わせ、新しい方法で組み合わせる。この
コンセプトはまだ初期段階だが、プロトタイプの全炭素、カスケード型スピントロニクス電算システム
への取り組みはナノスピンコンピュタ研究室で継続される。

●　低次元炭素を伴うカスケードスピントロニクス論理

【要約】

従来のシリコン半導体素子の代替物として、広く知られることとなったグラフェン／カーボンナノチュ
ーブ半導体素子性が確立され、数多くのスピントロニクス論理ゲートが提供されている。しかしながら
電子スピンを利用する効率的なカスケード論理構造についてはまだ実証されていなかった。この研究で
は、低次元炭素材料のカスケード型スピントロニクス・コンピューティング・システムを紹介し、分析
する。最近、グラフェンナノリボンの負磁気抵抗の発見によるスピントロニクス・スイッチを提案、バ
ンド構造の強結合近似法で実証されている。共有結合的連結のカーボンナノチューブは、グラフェンナ
ノリボンを介し、インコヒーレントなスピントロニクス・スイッチングを介して論理ゲートをカスケー
ド接続し磁場を生成する。炭素材料の特異な材料特性により、テラヘルツの動作が可能になり、最先端
マイクロプロセッサと比較して電力遅延が２桁に減少できる。これらのカスケード接続論理回路の作製
に刺激を与えて、エネルギー効率が高いコンピューティングの変革をもたらすだろう。 

　doi:10.1038/ncomms15635

図１　全炭素スピン論理ゲート

切開されたカーボンナノチューブ（CNT）の磁気抵抗GNRは、金属ゲート上の絶縁材料上の２つの平行
なカーボンナノチューブ（CNT）で制御される。全電圧が一定に維持され、全電流は一方向に流れる。
入力CNT制御電流 I _CTRL の大きさ／電流方向は、磁場B及び磁気抵抗GNR端部を磁化し、出力電流 I_GNR
大きさを決定する。

【概要】 

スピントロニクス・コンピューティングのためのスピン自由度の操作は、スピントロニック・スイッチ
ング・デバイスのユニークなメカニズムを利用するために、従来にないロジック・ファミリの発明を必
要とする。他のデバイスを直接駆動する1つのデバイスであるカスケーディングは、ストアド・プログ
ラム電子コンピュータのための von Neumannの1545年の提案以来、ロジック・ファミリの主要な課題と
基本要件としてよく知られる。入力信号と出力信号の種類と大きさが同じでない場合、変換のためのデ
バイスを追加することなくデバイスを接続することは困難。この余分なデバイスは電力、時間、面積を
消費し、ロジックファミリの効用を著しく低下させる。ここでは、コンピューティングの代替パラダイ
ム、すなわち全カーボンスピンロジックを紹介。このカスケード論理ファミリは、低次元の炭素材料の
みを使用して高性能コンピューティングを効率的に達成の最近のナノテクノロジーの進歩を創造的に適
用する。スピントロニックスイッチングデバイスは、グラフェンナノリボン（GNR）トランジスタおよ
び部分的に非圧縮のカーボンナノチューブ（CNT）の負磁気抵抗を利用し、金属CNT相互接続から解か
れて提案される。このカーボンゲートは直接カスケード接続できる。論理ゲート間に追加の中間デバイ
スは必要ない。適切なスイッチング動作に必要な物理的パラメータは、計算効率の分析を可能にし、実
験的実証指針の提供に、バンド構造の平均場密結合計算評価である。この結果、テラヘルツの動作速度
と電力遅延製品の２桁の改善を伴う小型の全炭素スピン論理回路の可能性を実証し、提案デバイスと計
算構造調査を促進する。 

図２　グラフェンナリボンの端部磁化

（a）グラフェンエッジの磁化特性図。 隣接CNT電流により生成された磁場は、GNRエッジで強いオ
ンサイト磁化を引き起こす。各円の色はスピン種を表し、半径は磁化の大きさに対応。（b）単位セル
内の各サイトのオンサイト磁化をエッジからの距離の関数として図示。 （c）外部から印加された磁場
の不存在／存在におけるグラフェンナノリボンの端部磁化。磁場が存在しない場合、GNRは反対の極性
のエッジを有する全体的なAFM（局部反強磁性）秩序を示す。 磁場の印加は、エッジの極性を整列させ、
全体的なFM（強磁性）順序付ける。

図３　隣接するCNTによって制御されるGNRの磁気抵抗挙動

（a、b）：方法の式（1）のようにCNTおよびハバードパラメータU = 2.7  eVのゼロ電流の１２原子幅の
ジグザグGNRのAFM／FM全秩序化バンド図。（a）グローバルなAFM状態では、価電子帯と伝導帯の間
に大きなギャップがあり、そこにフェルミエネルギーEFがある。したがって、利用可能な導電モードは
なく、コンダクタンスがゼロ。（b）FM状態では、バンドギャップはなく、全エネルギーにおいて少な
くとも１つの伝導モードが存在する。 （c、d）：（c）20nmおよび（d）35nmの幅を有するジグザグ
GNRの磁気不安定エネルギー（μeV）。青色領域は正の不安定エネルギー（絶縁AFM状態）を示し、赤
色領域は負の不安定エネルギー（伝導性FM状態）を示す。より狭いGNRトランジスタでは、CNTの軸
はGNRエッジから10nmであり、より広いGNRは１nm離れたCNTを有する。臨界スイッチング電流は、
Uに依存し、破線で示されている。（e）は、AFM状態の伝達関数は、電子がデバイスを横切って移動す
る可能性と同様に、利用可能な伝導モードの数を定義。したがって、バンドギャップ内のEF値について
は、全的秩序化FM状態とAFM状態との間で切り替わるとき、GNRコンダクタンスが切り替わる。 （f）
CNT電流が臨界スイッチング電流ICを克服したとき、GNRコンダクタンスがG0だけ増加する典型的なス
イッチングである。

表１　反対方向の入力CNT制御電流のGNR ORゲート真理値


表２　同方向の電流制御不能入力CANのGNR XORゲート真理値 

【考察】

図４　全炭素スピン論理１ビット全加算器

（a）CNT（緑色）から部分的に切開された磁気抵抗性GNR FET（黄色）を有するスピントロニクスビ
ット全加算器の物理的構造。電気接続を防ぐ絶縁（茶色）。全炭素回路は、一定電圧VGの金属ゲート
の上の絶縁体上に置かれる。バイナリCNT入力電流AとBは、バイナリ・マグニチュード⨁Bの電流を出
力するXOR1とラベルされた切開GNRの状態を制御。 XOR1の出力は、ワイヤードORゲートOR2に達す
る前にXOR2およびXOR3への入力として機能するCNTを流れ、電流をマージしてCINV（A⨁B）を計算。
この電流はXOR4を制御し、V-Gで終了。他の電流も同様に動作し、出力電流信号SおよびCOUTで１ビッ
ト加算機能を計算。（b）ここで従来記号で示す記号回路図では、XOR1の出力はCINとともにOR2と
XOR3への入力として使用。全加算器Sの出力は、S = CINV（A、B）として計算。 OR2はCINV（A⨁B）を
出力。これはXOR4への入力Sと一緒に使用し（CINV（A⨁B））⨁（CIN⨁（A⨁B））を計算。このXOR4の
出力は（AYCIN）V（B∧CIN）と等価です。OR3は、COUT =（A∧B）V（A∧CIN）V（B∧CIN）を計算するた
めに、この信号を入力としてAORに等しいXOR2の出力と共に取る。配線されたORゲートは単に電流
を合計し有意な遅延がなく、総伝播時間は、XOR1-XOR3-XOR4最悪ケース経路により決定される３つ
のXORゲートの総伝播時間である。

図５　スイッチングと伝搬遅延の解析

時刻 t = 0でCNT0を通る電流のスイッチに続いてGNR1のエッジの磁場はt = tmagで切り替わり、GNR1
の抵抗はt = tmag + tgnrで切り替わり、CNT1を通る電流はt = tmag + tgnr + tprop。これは、1つの完全な
スイッチングおよび伝搬サイクルの終了を示し、直ちにGNR2のスイッチングが行われます。

図６　提案された概念実証実験

IINの変化に応じてIOUTの変化を測定することにより、全炭素スピン・ロジックの中心的な要素を実証で
きる。 カーボンナノチューブCNTOUTは、部分がGNRを形成するように部分的に切開（あるいは離合）
できる。次いで、第2のCNT、CNTINをCNTOUTとほぼ平行に置く。一定の電圧をCNTOUTに印加する必
要がある。この作業で説明される寸法を達成する必要はなく、むしろ、実験をより容易にするためには、
CNTINは、IINが変化したときに、IOUTにおいて測定可能な応答を引き起こすだけGNRに十分近くではい
けない。さらに、図に示すように、CNTINはCNTOUTと同じ長さである必要はなく、CNTが完全平行でな
い場合でもCNTが接触させない。

これらの回路は、高い導電率および負磁気抵抗を示す他の材料で実現することができるが、CNTおよび
GNRの優れた特性は、これらの構造をこの論理群での使用に理想的な候補にしている。電流は全炭素ス
ピン論理の状態変数であり、電磁波伝播によって決定されるスイッチング遅延を有する非常に速い計算
を可能にする。これは、電圧が状態変数であり、電荷転送および蓄積によって制限されるスイッチング
およびRLC相互接続遅延につながる従来のコンピューティングシステムとはかなり対照的である。

これらを踏まえ、試作量産プロセス開発の準備段階が続くが、うまく行けば、予想以上にグラフェン代
替時代が始まるだろう。