Изображение предоставлено: Юичиро Чино / Getty Images
Исследователи разработали технику, которая может позволить экстремальную миниатюризацию компонентов вычислительных устройств, открывая путь к созданию компактных и высокопроизводительных устройств.
С уменьшением размера транзисторов и логических элементов в процессорах, становится возможным упаковать больше вычислительной мощности в меньшую площадь. Однако физические ограничения кремния означают, что мы приближаемся к пределам того, насколько малыми могут быть эти компоненты.
Новое решение связано с ультрабыстрым переключением между спиновыми состояниями в двухмерных магнитах для представления бинарных состояний 1 и 0. Это может привести к созданию более плотных и энергоэффективных компонентов.
Эта техника стала возможной благодаря новому типу магнитного туннельного перехода (MTJ) — структуры материалов, которая используется в вычислительных системах для хранения данных. Ученые поместили хром-триодид (2D изолирующий магнит) между слоями графена и пропустили через него электрический ток, чтобы управлять ориентацией магнита в отдельных слоях хром-триодида.
Использование этих MTJ может означать возможность упаковать больше вычислительной мощности в чип, чем это считалось возможным ранее, при этом потребляя значительно меньше энергии в процессе переключения. Исследователи опубликовали свои выводы в новом исследовании, опубликованном 1 мая в журнале Nature Communications. (1)
В статье ученые продемонстрировали, что 2D магниты могут быть поляризованы для представления бинарных состояний, что прокладывает путь к созданию высокоэнергоэффективных вычислительных устройств.
Использование спинтроники для ускорения вычислений
Точный контроль магнитной фазы 2D материалов является важным шагом в спинтронике — области, занимающейся управлением спином электрона и связанным с ним магнитным моментом. Новая методика позволяет изменять спиновые состояния в хром-триодиде, используя полярность и амплитуду тока. Это возможно благодаря тому, что это соединение является ферромагнитным и полупроводником, что означает, что оно обладает проводимостью, промежуточной между металлом и изолятором.
Ключевым компонентом спинтроники является MTJ — два ферромагнитных слоя, разделенные изолирующим барьером. Управление спиновым состоянием MTJ — это техника, которая уже используется в различных компьютерных компонентах, таких как считывающие головки жестких дисков. Однако точный контроль толщины его составляющих слоев и качества их интерфейсов друг с другом остается сложной задачей.
Материалы должны выдерживать высокие плотности тока, достигающие как минимум 10 миллионов ампер через область размером с ноготь, и при этом соответствовать требованиям миниатюризации устройств и энергоэффективности. Для сравнения: обычный разряд молнии имеет силу тока от 1000 до 300 000 ампер.
Значительно более высокая энергоэффективность для будущих систем искусственного интеллекта
Ученые создали 2D магниты ван-дер-Ваальса (хром-триодид), затем наложили на них атомарно тонкие слои графена, гексагонального нитрида бора и хром-триодида, чтобы сформировать туннельные переходы. Они охладили эти устройства до температуры, близкой к абсолютному нулю, и одновременно пропустили через материал электрический ток, измеряя его с помощью источника тока в 16-миллисекундных импульсах.
Было отмечено, что напряжение подвергалось случайному переключению между уровнями, соответствующими параллельным и антипараллельным спиновым состояниям в хром-триодиде, причем направление переключения определялось полярностью и амплитудой тока. Продолжительность каждого магнитного состояния обычно составляла 10 миллисекунд, в то время как время переключения между двумя состояниями было порядка микросекунд (одна микросекунда равна одной миллионной секунды).
Два состояния, которые могут использоваться в качестве логических элементов, позволяют работать на гораздо меньшем масштабе, чем это было возможно ранее. С использованием этой технологии производители могли бы создавать компьютерные чипы с большей вычислительной мощностью. Однако необходимость работы при температурах, близких к абсолютному нулю, означает, что внедрение таких устройств в реальность будет сложной задачей.
«Что отличает эту работу, так это то, что энергия, необходимая для перехода из одного состояния в другое, на порядок ниже, чем в обычных магнитных туннельных переходах», — заключила Адэлина Илие, специалист по 2D магнитам из Университета Бата в Великобритании. «С новыми технологиями, такими как генеративный искусственный интеллект, который значительно увеличивает потребление энергии, не удастся продолжать работать с прежними технологиями, поэтому нужны устройства, которые будут энергоэффективными».
Данная работа представляет собой важный шаг на пути к созданию новых типов процессоров, которые будут одновременно компактными и мощными, с повышенной энергоэффективностью. Однако еще предстоит решить многие технические задачи, прежде чем такие устройства смогут быть интегрированы в реальные системы.
Работает экологическим и научным журналистом более 15 лет. Пишет о науке, культуре, космосе и устойчивом развитии. Внештатный автор сайта «Знание – свет».
