サシカント・マニパトルニ

サシカント・マニパトルニは、コンピュータ工学、集積回路技術、材料工学、半導体デバイス製造の分野におけるアメリカのエンジニア、発明家です。^{[5]マニパトルニは、}シリコンフォトニクス、スピントロニクス、量子材料の開発に貢献しました。^{[6] [7] [8]}

マニパトルニは、電気光学変調器^{[10] 、 [11]}キャビティオプトメカニクス^{[12] [13]}ナノフォトニクスと光インターコネクト^{[14] [ 15]}スピントロニクス^{[16] [17]}およびムーアの法則の拡張のための新しいロジックデバイス^{[18] [19]の分野で50の研究論文と約400の特許[ 9]} （約7500回引用[5] ）の共著者です。彼の作品は、 Nature、Nature Physics、Nature communications 、Science advances、およびPhysical Review Lettersに掲載されています。

マニパトルニはジャワハル・ナヴォダヤ・ヴィドゥヤラヤで教育を修了した。^[20]その後、 2005年にインド工科大学デリー校で電気工学と物理学の学士号を取得し、同校を銀メダルで卒業した。^[21]また、インド科学研究所のキショア・ヴァイギャニク・プロツァハン・ヨジャナ^{[22]の下で}天文学と天体物理学のための大学間センターで研究を修了し、スイス連邦工科大学チューリッヒ校では最適制御^[23]の研究を修了した。

マニパトルニはコーネル大学で応用工学物理学を副専攻として電気工学の博士号を取得しました。^[24]彼の論文のタイトルは「シリコンナノフォトニック相互接続のスケーリング：シリコン電気光学変調器、スローライト、オプトメカニカルデバイス」でした。^{[24]彼の論文指導教官はコーネル大学の}ミハル・リプソンとアレクサンダー・ガエタでした。彼は、 Michal Lipson、Alexander Gaeta、Keren Bergman、Ramamoorthy Ramesh、Lane W. Martin、Naresh Shanbhag、^[25] Jian-Ping Wang、^[26] Paul McEuen、Christopher J. Hardy、Felix Casanova、^[27] Ehsan Afshari、Alyssa Apsel、Jacob T. Robinson、^{[28] fr:Manuel Bibesらと、}凝縮系物理学、電子工学とデバイス、フォトニクス、回路理論、人工知能分野におけるコンピュータアーキテクチャとハードウェアにわたる学術研究の共著者である。

マニパトルニの博士論文は、シリコンフォトニクス部品によって駆動される単一の物理光チャネル上で、電気光学変調の速度を1GHz ^[29]から12.5Gbit/s ^[30] 、 18Gbit/s ^[31]、50Gbit/s ^[32]へと段階的に拡大することにより、当時黎明期にあったシリコンフォトニクスの分野を発展させることに焦点を当てていました。光用途におけるシリコンの重要性は、次のように理解できます。現代の集積回路技術のほぼ95%は、大型単結晶ウェハの使用とインターフェイスの品質の並外れた制御により、半導体デバイス製造において高い生産性を誇るシリコンベースの半導体に基づいています。しかし、フォトニック集積回路は、依然として主にIII-V族化合物半導体材料とII-VI族半導体化合物材料を使用して製造されており、そのエンジニアリングはシリコン業界より数十年遅れています（年間生産されるウェハとデバイスの数で判断）。シリコンが光信号のオン/オフを切り替える材料として使用できることを示すことにより、シリコン電気光学変調器は、エレクトロニクス業界向けに開発された高品質のエンジニアリングをフォトニクス/光学業界に採用することを可能にします。これは、シリコン電気光学研究者が使用する基本的な議論です。^[33]この研究は、2005年から2010年にかけて、Intel、^[34] IBM ^[35]およびLuxtera ^[36]の主要な産業研究グループで密接に並行して行われ、産業界は学術研究室で開発されたさまざまな方法を採用し、改善しました。Manipatruniの研究は、前置増幅とバックツーバック接続された注入モードデバイスを介して自由キャリアの注入を設計することにより、高速変調を実現する自由キャリア注入変調器（キャリア空乏変調器とは対照的に）を開発することが実際に可能であることを示しました。^[37]

コロンビア大学のケレン・バーグマンとの共同研究により、マイクロリング変調器の研究は、シリコンベースの注入モード電気光学変調器を利用したシリコンフォトニクスの長距離利用における数々の初の成果の実証につながりました。これには、シリコンマイクロリング変調器を使用した長距離伝送の初の実証^[38]、マイクロリング変調 BPSK の初のエラーフリー伝送、^[39]、シリコンマイクロリング共振器電気光学変調器を使用した 12.5 Gb/s データの 80 km 長距離伝送の初の実証、^[40]フォトニックネットワークオンチップを実現する 12.5 Gb/s シリコン変調器の初の実験的ビットエラー率検証^{[41]が含まれます。これらの学術的成果は、シスコ、 [42]}インテルで広く導入されている製品に応用されています。^[43]

マニパトルニ、リプソン、およびインテルの共同研究者^[44]は、オンダイ通信リンクの帯域幅、線形帯域幅密度（帯域幅/断面積）、および面積帯域幅密度（帯域幅/面積）を満たすためにシリコンマイクロリング変調器の使用を必要とするロードマップを策定しました。当初は熱的に不安定であると考えられていましたが、^[45] 2020年代初頭までに、マイクロリング変調器はインテル^{[46] [47]} Ayar Labs、^[48]グローバルファウンドリ^[49]およびさまざまな光相互接続の用途でのコンピューティングニーズに広く採用されています。

${\displaystyle E_{switch_{O}ptical_{L}ink}>\hbar \omega .V_{receive}.C_{d}.10^{L*\alpha /10}/(\eta _{L}\eta _{D}\eta _{M}\eta _{C}e)+(V_{m}\Theta \Delta .T)/((dn/d\rho )(dT/dn))+(2/B)P_{tune}\Delta \lambda +E_{SD}*(B/(2F_{clock}))}$

オンダイ光リンクの最適エネルギーは次のように表されます^[44] 。ここで、は最適な検出器電圧（ビットエラー率を維持）、検出器容量、は変調器駆動電圧、は安定化される光キャビティの電気光学体積、屈折率の変化はキャリア濃度、屈折率の変化に対するデバイスのスペクトル感度は光伝送の変化、Bはリンクの帯域幅、Ptuneは共振器を動作状態に保つための電力、Bはシリアル化されるデータのF周波数でのリンクの帯域幅です。 ${\displaystyle V_{receive}}$${\displaystyle C_{d}}$${\displaystyle V_{m}}$${\displaystyle \Theta ,dn/d\rho ,dT/dn}$${\displaystyle \Delta .T}$

マニパトルニとクリストファー・J・ハーディは、ゼネラル・エレクトリックのGEグローバル研究施設で研究中に、磁気共鳴画像に統合フォトニックリンクを適用し、信号収集コイルを介してMRI装置からの信号収集率を改善しました^[50]。MRI信号の光変換の使用^[51]により、MRIシステム内の信号収集アレイが大幅に向上し、信号スループットが向上し、画像収集時間が短縮され、画像撮影時間が短縮されるため、コイルの重量とMRI画像撮影のコストが全体的に削減されます。^[52]

マニパトルニは2009年に、磁気アイソレータを使用せずに古典的な電磁領域で、光放射圧がマイクロキャビティオプトメカニクスにおける非相反性につながるという最初の観察を提唱しました^{[53] [13] 。古典的なニュートン光学では、 [54] [55]、}光線は特定の光学媒体の組み合わせを介して経路をたどることができなければならないと理解されていました。しかし、可動媒体内の光の運動量を考慮に入れると、これはすべての場合に当てはまる必要はありません。この研究^{[53] [13]}は、相互性の破れ（つまり、前方および後方に移動する光に対する媒体の特性が破られる可能性がある）は、質量が小さく、機械的損失が低く、閉じ込め時間が長いため光が大きく増幅されるため、マイクロスケールオプトメカニクスシステムでは観測可能であることを提唱しました。

その後の研究では、時間変調や共振器内のパラメトリック効果など、多くのナノフォトニクス条件で相反性の破れが実証されている。^{[56] [57] [58] [59] [60] [61]}マニパトルニとリプソンは、シリコンフォトニクスの新デバイスを光同期^{[62] [12]}や光非線形性を利用した非古典的な光線の生成にも応用している。^{[63] [64]}

マニパトルニは、シリコンベースのトランジスタの既存の限界を超える計算ノード用の論理計算デバイスの開発のためにスピントロニクスに取り組んだ。彼は、業界で広く使用されているVLSI設計内でスピンコンポーネントを使用できるようにするために、ベクトル回路理論^{[65]を使用した拡張修正ノード解析を開発した。 [66] [67]}回路モデリングは、Supriyo Datta ^{[69] [70]}とGerrit EW Bauer [71]による理論的研究^[68]に基づいている。マニパトルニのスピン回路モデルは、スピン論理回路^{[72] [73] [74]}スピン相互接続^[75]ドメインウォール相互接続^[76]およびベンチマークロジック^[77]とスピンおよび磁気回路を利用したメモリデバイスの開発に広く適用された。^{[78] [79]}

2011年、ロバート・バーマン^[80] 、ダニエル・ラルフ^[81]、イオアン・ミロン^{[82]による}第6周期遷移金属^[83 ]における重金属のスピンホール効果とスピン軌道相互作用の発見を利用して、 ^[82]マニパトルニは、現代の半導体プロセス技術における組み込みスタティックランダムアクセスメモリの困難さの増大に対処するため、現代のフィン電界効果トランジスタ[ ⁸⁶ ]と組み合わせた統合スピンホール効果メモリ^[84] （後にスピン電流生成の界面とバルク成分の複雑な相互作用を理解するためにスピン軌道メモリと名付けられた^{[85 ]）を提案した。SRAMの代替としてのSOT-MRAMは、重要な研究開発を促進し、さまざまなファウンドリで}22 nmプロセスと14 nmプロセスでフィン電界効果トランジスタと組み合わせたSOT-MRAMの実証に成功した。^{[87] [88] [89]}

マニパトルニと共同研究者は、ジャンピン・ワン^[90]と協力して、第4の元素強磁性体の証拠を示すことができました。^{[91] [92] [93]}室温で元素の形で強磁性体が存在することはまれであるため、それほど希少ではない元素を使用することで、電気自動車用の永久磁石ベースの駆動システムの採用に役立つ可能性があります。

2016年、マニパトルニと共同研究者は、2nmプロセスを超えて利用するためのロジックデバイスの中核となる基準を特定することにより、新しいロジックデバイス開発に対するいくつかの変更を提案しました。^[18]電圧スケーリングの減速、^{[94] [95]}リソグラフィノードのスケーリング、ウェーハあたりのコストの増加、ファブの複雑さによって証明されるように、ムーアの法則は継続的に減速しており、2000年から2010年の時代に存在したムーアの法則が、それほど積極的ではないスケーリングパラダイムに変化したことを示しました。

マニパトルニは、スピントロニクスとマルチフェロイックシステムがコンピューティング用のアトジュールクラスの論理ゲートを実現するための有力候補であり、それによってトランジスタのスケーリングに関するムーアの法則の継続を可能にすると提案した^[18]。しかし、コンピューティングの材料の焦点を酸化物やトポロジカル材料に移すには、エネルギー、確率性、複雑性に対処する総合的なアプローチが必要です。

計算量子材料のマニパトルニ・ニコノフ・ヤング性能指数は、「室温でデバイスを切り替えるエネルギー」と「真空エネルギーと比較した材料の熱力学的安定性のエネルギー（ここでは、材料の強誘電分極や磁化などの秩序パラメータの反転）」の比として定義されます。 ${\displaystyle E_{スイッチング}}$${\displaystyle E(\pm \theta )}$${\displaystyle \pm \theta }$

${\displaystyle \lambda =E_{スイッチング}/E(\pm \theta )}$

この比率は強誘電体材料にとって普遍的に最適であり、MOSトランジスタやBJTなどのスピントロニクスおよびCMOSスイッチング素子と比較しても優れています。このフレームワーク（SIA 10年計画^[96]で採用）は、物理的スケーリング（デバイスのエネルギーと密度の物理ベースの改善）、数学的スケーリング（デバイスが熱力学的限界まで拡大したときにエラー率が高くなるように情報理論的改善を使用）、および複雑性スケーリング（個別のメモリとロジックユニットからAIベースのアーキテクチャに移行するアーキテクチャスケーリング）を使用する統合コンピューティングフレームワークについて説明します。シャノンに触発されたコンピューティングを組み合わせることで、高度にスケーリングされたデバイスに固有の物理的な確率的エラーを情報理論的手法で軽減できます。^{[97] [98]}

Ian A. Young、Nikonov、および Manipatruni は、計算デバイスに関連する量子材料の 10 の未解決問題のリストを作成しました。これらの問題はその後、多数の研究で取り上げられ、CMOS を超える将来のコンピューター技術に向けたさまざまなデバイス特性の改善につながりました。ロジックのマイルストーンと課題として挙げられている主な問題は次のとおりです。

磁気/強誘電体/マルチフェロイックスイッチングの問題

1. ^{1,000 nm 3}の体積で、安定性 100 k _B T、エネルギー 1 aJ ~ 6.25 eV ~ 240 kT の磁気/マルチフェロイック (MF) 状態を切り替えるにはどうすればよいでしょうか。
2. スケールされたサイズでの磁石/FE/MF の磁気電気/強誘電体 (FE)/MF 切り替えに関連するタイムスケールはどれくらいですか? 強磁性体のラーモア歳差運動のタイムスケールを克服するにはどうすればよいですか?
3. スケーリングされた磁石/分極スイッチを低い確率的誤差で切り替えるにはどうすればよいでしょうか? スケーリングされた FE/ME スイッチングのスイッチング エラーや疲労を制御する基本的なメカニズムは何ですか?
4. 実用的な磁気電気スイッチング（例えば、マルチフェロイック FE/反強磁性体 (AFM) と FM、常誘電体/AFM と FM、圧電体と磁歪）に適した材料/秩序パラメータの組み合わせは何ですか?磁気/マルチフェロイック/強誘電体検出の問題
5. 100 mV を超える高い読み出し電圧で磁石/強誘電体の状態を検出するにはどうすればよいでしょうか。スピンガルバニック効果/エーデルシュタイン効果などの逆スピン軌道効果の場合、高抵抗で λIREE > 10 nm を達成するにはどうすればよいでしょうか。
6. 磁石の状態のスピン軌道検出のスケーリング依存性は何か？ スピン軌道効果で垂直磁石の状態を検出するには？相互接続と複雑さの問題
7. 縮小されたワイヤサイズ（幅 30 nm 未満、ピッチ 60 nm 未満）で磁石/FE の状態を長距離転送するにはどうすればよいでしょうか。特に、非磁性導体のスピン拡散相互接続と磁性相互接続のマグノン相互接続を改善するにはどうすればよいでしょうか。
8. スピントロニック/マルチフェロイック状態をフォトニック状態に変換し（およびその逆）、非常に長距離の相互接続（> 100 μm）67を可能にするにはどうすればよいでしょうか。
9. CMOS のバックエンドは、誘電体によって分離された複数の金属ワイヤ層で構成されています。これらの層の間にロジック デバイスを作成するには、アモルファス層と機能材料の成長用テンプレートから始める必要があります。CMOS チップのバックエンドに磁性/FE/MF 材料を統合するにはどうすればよいでしょうか50,68?
10. コンピューティング アーキテクチャで実用的な熱力学的条件に近い状態で動作する確率的スイッチ (スピン/FE) をどのように活用するのでしょうか?
11. コンピュータアーキテクチャにおいてスピン/FEデバイスで実現可能な極限のスケーリング（サイズ、ロジック効率、3次元統合）を活用して、チップあたり100億個のスイッチを実現する方法18,19

磁気電気スピン軌道ロジックは、磁気電気効果とスピン軌道効果を結合した新しい論理コンポーネントにこの手法を使用する設計です。CMOSと比較して、MESO回路はスイッチングに必要なエネルギーが少なく、動作電圧が低く、集積密度が高くなる可能性があります。^[19]

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• ミハル・リプソン
• クリストファー・J・ハーディ
• ケレン・バーグマン
• シリコンフォトニクス
• 磁気電気スピン軌道論理