Sasikanth Manipatruni

Sasikanth Manipatruni es un científico informático e inventor indio-estadounidense conocido por su trabajo en computación energéticamente eficiente más allá de CMOS , espintrónica y fotónica de silicio . Es el autor principal del artículo de Intel de 2018 en Nature que propone dispositivos magnetoeléctricos de espín-órbita MESO , una tecnología lógica experimental más allá de CMOS que combina multiferroicos y acoplamiento de espín-órbita para lograr energías de conmutación ultrabajas. Su investigación ha sido cubierta por medios científicos independientes como Berkeley News , ^{[ 5 ]} Physics World , ^{[ 6 ]} comunidades de investigación de Nature ^{[ 7 ]} y The Register ^{[ 8 ] [ 9 ]} y revisiones de investigación revisadas por pares de expertos en Nature, ^{[ 10 ]} Reviews of Modern Physics , ^{[ 11 ]} que describen MESO como un camino potencial más allá de la escala convencional de transistores. Manipatruni contribuyó a los desarrollos en fotónica de silicio , espintrónica y materiales cuánticos . ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}

Manipatruni es coautor de 50 artículos de investigación y ~400 patentes ^{[ 15 ]} (citadas aproximadamente 10000 veces ^{[ 16 ]} ) en las áreas de moduladores electroópticos, ^{[ 17 ] [ 18 ]} optomecánica de cavidades , ^{[ 19 ] [ 20 ]} nanofotónica e interconexiones ópticas, ^{[ 21 ] [ 22 ]} espintrónica , ^{[ 23 ] [ 24 ]} y nuevos dispositivos lógicos para la extensión de la ley de Moore . ^{[ 25 ] [ 26 ]} Su trabajo ha aparecido en Nature, Nature Physics, Nature Communications , Science Advances y Physical Review Letters y en conferencias archivadas públicamente de la Academia Nacional de Ciencias de EE. UU. ^{[ 27 ]} .

Manipatruni completó su educación en Jawahar Navodaya Vidyalaya . ^{[ 28 ]} Posteriormente, recibió una licenciatura en Ingeniería Eléctrica y Física del IIT Delhi en 2005, donde se graduó con la medalla de plata del instituto. ^{[ 29 ]} También realizó investigaciones bajo el Kishore Vaigyanik Protsahan Yojana ^{[ 30 ]} en el Instituto Indio de Ciencias, trabajando en el Centro Interuniversitario de Astronomía y Astrofísica , y en control óptimo ^{[ 31 ]} en el Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich .

Medios independientes destacaron el potencial de MESO: Physics World lo describió como "una combinación de materiales topológicos y multiferroicos para lograr una conmutación lógica de voltaje ultrabajo". ^{[ 32 ]} Berkeley News lo calificó como un "avance que podría llevar a las computadoras más allá de la era de los semiconductores". Revisiones recientes revisadas por pares identifican a MESO como una dirección prometedora en la investigación de lógica más allá de CMOS. ^{[ 33 ]} Un artículo del Premio Nobel Albert Fert en Reviews of Modern Physics analiza prominentemente MESO y su impacto como "se espera que MESO reduzca fuertemente el consumo de energía para computación al aprovechar materiales ferroicos que tienen no volatilidad incorporada y al depender de un voltaje en lugar de una corriente para cambiar el parámetro de orden ferroico". MESO ha sido revisado como una tecnología lógica de mayor eficiencia energética en múltiples revisiones secundarias y hojas de ruta anuales de magnetismo. ^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]} MESO y sus subcomponentes han sido investigados en múltiples proyectos de investigación y tesis doctorales. ^{[ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]}

Manipatruni obtuvo su doctorado en Ingeniería Eléctrica con especialización en física de ingeniería aplicada de la Universidad de Cornell . ^{[ 50 ]} El título de su tesis fue "Escalado de interconexiones nanofotónicas de silicio: moduladores electroópticos de silicio, luz lenta y dispositivos optomecánicos". ^{[ 50 ]} Sus directores de tesis fueron Michal Lipson y Alexander Gaeta en la Universidad de Cornell. Ha sido coautor de investigaciones académicas con Michal Lipson , Alexander Gaeta , Keren Bergman , Ramamoorthy Ramesh , Lane W. Martin , Naresh Shanbhag , ^{[ 51 ]} Jian-Ping Wang, ^{[ 52 ]} Paul McEuen , Christopher J. Hardy , Felix Casanova, ^{[ 53 ]} Ehsan Afshari , Alyssa Apsel , Jacob T. Robinson, ^{[ 54 ]} fr:Manuel Bibes que abarcan física de la materia condensada , electrónica y dispositivos, fotónica , teoría de circuitos , arquitectura informática y hardware para áreas de inteligencia artificial .

La tesis doctoral de Manipatruni se centró en el desarrollo del entonces incipiente campo de la fotónica de silicio mediante el escalado progresivo de la velocidad de modulación electroóptica de 1 GHz ^{[ 55 ]} a 12,5 Gbit/s, ^{[ 56 ]} 18 Gbit/s ^{[ 57 ]} y 50 Gbit/s ^{[ 58 ]} en un único canal óptico físico impulsado por un componente fotónico de silicio. La importancia del silicio para usos ópticos puede entenderse de la siguiente manera: casi el 95% de la tecnología moderna de circuitos integrados se basa en semiconductores de silicio que tienen una alta productividad en la fabricación de dispositivos semiconductores debido al uso de grandes obleas monocristalinas y un control extraordinario de la calidad de las interfaces. Sin embargo, los circuitos integrados fotónicos todavía se fabrican mayoritariamente utilizando materiales semiconductores compuestos III-V y materiales semiconductores compuestos II-VI , cuya ingeniería está varias décadas por detrás de la industria del silicio (a juzgar por el número de obleas y dispositivos producidos por año). Al demostrar que el silicio puede utilizarse como material para encender y apagar señales luminosas, los moduladores electroópticos de silicio permiten que la ingeniería de alta calidad desarrollada para la industria electrónica se adopte en la industria fotónica/óptica. Este es el argumento fundamental utilizado por los investigadores de electroóptica de silicio. ^{[ 59 ]} Este trabajo se desarrolló en paralelo en grupos de investigación industrial líderes en Intel, ^{[ 60 ]} IBM ^{[ 61 ]} y Luxtera ^{[ 62 ]} durante 2005-2010, con la industria adoptando y mejorando diversos métodos desarrollados en laboratorios de investigación académica. El trabajo de Manipatruni demostró que es prácticamente posible desarrollar moduladores de inyección de portadores libres (a diferencia de los moduladores de agotamiento de portadores) para lograr una modulación de alta velocidad mediante la ingeniería de la inyección de portadores libres a través de dispositivos de modo de inyección conectados en serie y preamplificación. ^{[ 63 ]}

En combinación con Keren Bergman en la Universidad de Columbia , la investigación sobre moduladores de microring condujo a la demostración de varias primicias en usos de larga distancia de la fotónica de silicio que utilizan moduladores electroópticos de modo de inyección basados ​​en silicio, incluyendo la primera demostración de transmisión de larga distancia utilizando moduladores de microring de silicio ^{[ 64 ]} la primera transmisión sin errores de BPSK modulado por microring, ^{[ 65 ]} la primera demostración de transmisión de larga distancia de 80 km de datos de 12,5 Gb/s utilizando un modulador electroóptico de resonador de microring de silicio , ^{[ 66 ]} la primera validación experimental de la tasa de error de bits de un modulador de silicio de 12,5 Gb/s que permite redes fotónicas en chip. ^{[ 67 ]} Estos resultados académicos se han aplicado en productos ampliamente implementados en Cisco, ^{[ 68 ]} Intel. ^{[ 69 ]}

Manipatruni, Lipson y colaboradores en Intel ^{[ 70 ]} proyectaron una hoja de ruta que requería el uso de moduladores de microranura de silicio para cumplir con el ancho de banda, la densidad de ancho de banda lineal (ancho de banda/longitud de sección transversal) y la densidad de ancho de banda de área (ancho de banda/área) de los enlaces de comunicación en el chip. Si bien originalmente se consideraban térmicamente inestables, ^{[ 71 ]} a principios de la década de 2020 los moduladores de microranura habían sido ampliamente adoptados para las necesidades de computación en Intel ^{[ 72 ] [ 73 ]} Ayar Labs, ^{[ 74 ]} fundiciones globales ^{[ 75 ]} y diversos usos de interconexión óptica .

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

La energía óptima de un enlace óptico en el chip se escribe ^{[ 70 ]} como: donde es el voltaje óptimo del detector (manteniendo la tasa de error de bits), capacitancia del detector, es el voltaje de accionamiento del modulador, son el volumen electroóptico de la cavidad óptica que se está estabilizando, cambio del índice de refracción a la concentración de portadores y sensibilidad espectral del dispositivo al cambio del índice de refracción, es el cambio en la transmisión óptica, B es el ancho de banda del enlace, Ptune la potencia para mantener el resonador operativo y B el ancho de banda del enlace a la frecuencia F de los datos que se están serializando. ${\displaystyle V_{recibir}}$${\displaystyle C_{d}}$${\displaystyle V_{m}}$${\displaystyle \Theta ,dn/d\rho ,dT/dn}$${\displaystyle \Delta .T}$

Manipatruni y Christopher J. Hardy aplicaron enlaces fotónicos integrados a la resonancia magnética para mejorar la tasa de recolección de señales de las máquinas de RM mediante las bobinas de recolección de señales ^{[ 76 ]} mientras trabajaban en el centro de investigación GE Global de General Electric . El uso de la transducción óptica de las señales de RM ^{[ 77 ]} puede permitir matrices de recolección de señales significativamente más altas dentro del sistema de RM, aumentando el rendimiento de la señal, reduciendo el tiempo para recolectar la imagen y reduciendo en general el peso de las bobinas y el costo de la obtención de imágenes de RM al reducir el tiempo de adquisición de imágenes. ^{[ 78 ]}

Manipatruni propuso la primera observación de que la presión de radiación óptica conduce a la no reciprocidad en la optomecánica de microcavidades en 2009 ^{[ 79 ] [ 20 ]} en el dominio electromagnético clásico sin el uso de aisladores magnéticos. En la óptica newtoniana clásica, ^{[ 80 ] [ 81 ]} se entendía que los rayos de luz deben poder recorrer su camino de regreso a través de una combinación dada de medios ópticos. Sin embargo, una vez que se tiene en cuenta el momento de la luz dentro de un medio móvil, esto no tiene por qué ser cierto en todos los casos. Este trabajo ^{[ 79 ] [ 20 ]} propuso que la ruptura de la reciprocidad (es decir, las propiedades de los medios para la luz que se mueve hacia adelante y hacia atrás pueden ser violadas) es observable en sistemas optomecánicos de microescala debido a su pequeña masa, bajas pérdidas mecánicas y alta amplificación de la luz debido a largos tiempos de confinamiento.

Trabajos posteriores han establecido la ruptura de la reciprocidad en varias condiciones nanofotónicas, incluyendo la modulación temporal y los efectos paramétricos en cavidades. ^{[ 82 ] [ 83 ] [ 84 ] [ 85 ] [ 86 ] [ 87 ]} Manipatruni y Lipson también han aplicado los dispositivos nacientes en fotónica de silicio a la sincronización óptica ^{[ 88 ] [ 19 ]} y la generación de haces de luz no clásicos utilizando no linealidades ópticas. ^{[ 89 ] [ 90 ]}

Manipatruni trabajó en espintrónica para el desarrollo de dispositivos de computación lógica para nodos computacionales más allá de los límites existentes de los transistores basados ​​en silicio. Desarrolló un análisis nodal modificado extendido que utiliza la teoría de circuitos vectoriales ^{[ 91 ]} para corrientes y voltajes basados ​​en espín, lo que permite el uso de componentes de espín dentro de diseños VLSI ampliamente utilizados en la industria. ^{[ 92 ] [ 93 ]} El modelado del circuito se basa en el trabajo teórico ^{[ 94 ]} de Supriyo Datta ^{[ 95 ] [ 96 ]} y Gerrit EW Bauer . ^{[ 97 ]} Los modelos de circuitos de espín de Manipatruni se aplicaron ampliamente para el desarrollo de circuitos lógicos de espín, ^{[ 98 ] [ 99 ] [ 100 ]} interconexiones de espín, ^{[ 101 ]} interconexiones de pared de dominio ^{[ 102 ]} y lógica de referencia ^{[ 103 ]} y dispositivos de memoria que utilizan circuitos magnéticos y de espín. ^{[ 104 ] [ 105 ]}

In 2011, utilizing the discovery of Spin Hall effect and Spin–orbit interaction in heavy metals from Robert Buhrman,^[106] Daniel Ralph ^[107] and Ioan Miron^[108] in Period 6 element transition metals ^[109][108] Manipatruni proposed an integrated spin-hall effect memory^[110] (Later named Spin-Orbit Memory to comprehend the complex interplay of interface and bulk components of the spin current generation^[111]) combined with modern Fin field-effect transistor transistors^[112] to address the growing difficulty with embedded Static random-access memory in modern Semiconductor process technology. SOT-MRAM for SRAM replacement spurred significant research and development leading to successful demonstration of SOT-MRAM combined with Fin field-effect transistors in 22 nm process and 14 nm process at various foundries.^{[113][114][115]}

Working with Jian-Ping Wang,^[116] Manipatruni and collaborators were able to show evidence of a 4th elemental ferro-magnet.^{[117][118][119]} Given the rarity of ferro-magnetic materials in elemental form at room temperature, use of a less rare element can help with the adoption of permanent magnet based driven systems for electric vehicles.

In 2016, Manipatruni and collaborators proposed a number of changes to the new logic device development by identifying the core criterion for the logic devices for utilization beyond the 2 nm process.^[25] The continued slow down the Moore's law as evidenced by slow down of the voltage scaling,^[120][121] lithographic node scaling and increasing cost per wafer and complexity of the fabs indicated that Moore's law as it existed in the 2000-2010 era has changed to a less aggressive scaling paradigm.

Manipatruni propuso ^{[ 25 ]} que los sistemas espintrónicos y multiferroicos son candidatos principales para lograr compuertas lógicas de clase attojulio para computación, lo que permitiría la continuación de la ley de Moore para la miniaturización de transistores. Sin embargo, cambiar el enfoque de los materiales de computación hacia óxidos y materiales topológicos requiere un enfoque holístico que aborde la energía, la estocasticidad y la complejidad.

El factor de mérito Manipatruni-Nikonov-Young para materiales cuánticos computacionales se define como la relación entre la " energía para conmutar un dispositivo a temperatura ambiente" y la " energía de estabilidad termodinámica de los materiales en comparación con la energía del vacío, donde es la inversión del parámetro de orden, como la polarización ferroeléctrica o la magnetización del material". ${\displaystyle E_{conmutación}}$${\displaystyle E(\pm \theta )}$${\displaystyle \pm \theta }$

${\displaystyle \lambda =E_{conmutación}/E(\pm \theta )}$

Esta relación es universalmente óptima para un material ferroeléctrico y se compara favorablemente con elementos de conmutación espintrónicos y CMOS, como transistores MOS y BJT. El marco (adoptado por el plan decenal de la SIA ^{[ 122 ]} ) describe un marco de computación unificado que utiliza escalado físico (mejora basada en la física en la energía y densidad del dispositivo), escalado matemático (utilizando mejoras de la teoría de la información para permitir una mayor tasa de error a medida que los dispositivos se escalan hasta los límites termodinámicos) y escalado de complejidad (escalado arquitectónico que pasa de unidades de memoria y lógica distintas a arquitecturas basadas en IA). La combinación de la computación inspirada en Shannon permite mitigar los errores estocásticos físicos inherentes a los dispositivos altamente escalados mediante técnicas de teoría de la información. ^{[ 123 ] [ 124 ]}

Ian A. Young , Nikonov y Manipatruni han elaborado una lista de 10 problemas fundamentales en materiales cuánticos relacionados con dispositivos computacionales. Estos problemas se han abordado posteriormente en numerosos trabajos de investigación, lo que ha dado lugar a diversas mejoras en las propiedades de los dispositivos para una futura tecnología informática más allá del CMOS . Los principales problemas, considerados hitos y desafíos para la lógica, son los siguientes:

Problemas de conmutación magnética/ferroeléctrica/multiferroica

1. ¿Cómo conmutar un estado magnético/multiferroico (MF) en un volumen de 1000 nm³ ^con una estabilidad de 100 kBT _y una energía de 1 aJ ~ 6,25 eV ~ 240 kT?
2. ¿Cuáles son las escalas de tiempo involucradas en la conmutación magnetoeléctrica/ferroeléctrica (FE)/MF de un imán/FE/MF a escala reducida? ¿Cómo superar la escala de tiempo de precesión de Larmor de un ferromagneto?
3. ¿Cómo conmutar un interruptor magnético/de polarización a escala con bajos errores estocásticos? ¿Cuáles son los mecanismos fundamentales que rigen los errores de conmutación y la fatiga en la conmutación FE/ME a escala?
4. ¿Cuál es la combinación adecuada de materiales/parámetros de orden para la conmutación magnetoeléctrica práctica (por ejemplo, multiferroico FE/antiferromagnético (AFM) más FM, paraeléctrico/AFM más FM, piezoeléctrico más magnetostricción)? Problemas de detección magnética/multiferroica/ferroeléctrica
5. ¿Cómo detectar el estado de un imán/ferroeléctrico con un voltaje de lectura elevado (>100 mV)? Para efectos de espín-órbita inversos, como el efecto galvánico de espín/efecto Edelstein, ¿cómo lograr λIREE > 10 nm con alta resistividad?
6. ¿Cuál es la dependencia de escala de la detección de espín-órbita del estado de un imán? ¿Cómo detectar el estado de un imán perpendicular con efecto de espín-órbita? Problemas de interconexión y complejidad.
7. ¿Cómo transferir el estado de un imán/electrolito ferroeléctrico a largas distancias en cables de tamaño reducido (cables de menos de 30 nm de ancho con paso de menos de 60 nm)? En particular, ¿cómo mejorar las interconexiones de difusión de espín en conductores no magnéticos y las interconexiones de magnones en interconexiones magnéticas?
8. ¿Cómo transducir un estado espintrónico/multiferroico a un estado fotónico (y viceversa) para permitir interconexiones de muy larga distancia (>100 μm)67?
9. La parte posterior de la tecnología CMOS consta de múltiples capas de hilos metálicos separadas por un dieléctrico. Por lo tanto, para fabricar dispositivos lógicos entre estas capas, es necesario comenzar con una capa amorfa y una plantilla para el crecimiento de los materiales funcionales. ¿Cómo integrar los materiales magnéticos/ferroeléctricos/ferromagnéticos en la parte posterior del chip CMOS50,68?
10. ¿Cómo utilizar interruptores estocásticos (spin/FE) que operan cerca de condiciones termodinámicas prácticas en una arquitectura informática?
11. Cómo utilizar la escalabilidad extrema (con tamaño, eficiencia lógica e integración tridimensional) factible con dispositivos spin/FE en una arquitectura de computadora para lograr 10 mil millones de interruptores por chip18,19

La lógica magnetoeléctrica de espín-órbita es un diseño que utiliza esta metodología para un nuevo componente lógico que acopla el efecto magnetoeléctrico y los efectos de espín-órbita. En comparación con CMOS, los circuitos MESO podrían requerir potencialmente menos energía para la conmutación, menor voltaje de operación y mayor densidad de integración. ^{[ 26 ]}

• Premio a los Innovadores Menores de 40 Años (2017) — Otorgado por la Conferencia de Automatización del Diseño (patrocinada por ACM/IEEE/ESDA). ^{[ 125 ]}
• Premio Mahboob Khan a la Excelencia en Enlace (2016) — Otorgado por la Semiconductor Research Corporation . ^{[ 126 ]}
• Innovadores menores de 40 años, Simposio Fronteras de la Ingeniería de EE. UU. (2019) — Seleccionados por la Academia Nacional de Ingeniería . ^{[ 127 ]}

• Manipatruni, Sasikanth; Nikonov, Dmitri E.; Lin, Chia-Ching; Gosavi, Tanay A.; Liu, Huichu; Prasad, Bhagwati; Huang, Yen-Lin; Bonturim, Everton; Ramamoorthy Ramesh ; Young, Ian A. (2018-12-03). "Lógica de espín-órbita magnetoeléctrica escalable y energéticamente eficiente". Nature . 565 (7737): 35–42. doi : 10.1038/s41586-018-0770-2. ISSN  0028-0836
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• Arquitectura de circuito de tubería para proporcionar funcionalidad de computación en memoria, US20190057050A1 ^{[ 128 ]}
• Acelerador dedicado de baja sincronización con capacidad de computación en memoria, US20190056885A1 ^{[ 129 ]}
• Caché neuronal analógica en memoria, US20190057304A1, ^{[ 130 ]}

• Michal Lipson
• Christopher J. Hardy
• Keren Bergman
• fotónica de silicio
• Lógica magnetoeléctrica de espín-órbita