Дата публикации − 1 Сентябрь 2013

Спинтроника позволит компьютерной мощности продолжать расти

Спинтроника позволит компьютерной мощности продолжать расти

Срок действия закона Мура о непрерывном росте вычислительной скорости может быть продлен принципиально новой конструкцией электронных чипов. Спинтроника, технология вычисления на вращении электрона, позволит создать все более быстрые и энергоемкие компьютеры.

Самарс экспериментирует со спином электрона
Самарс экспериментирует со спином электрона

Помните время, когда каждое новое поколение компьютеров было намного быстрее, чем предыдущие модели? Ну так, те старые-добрые дни закончилась около пяти лет назад, быстрые темпы вычислительной скорости столкнулись с непроницаемой преградой фундаментальной физики. Проблема электронных устройств, по мнению профессора физики из Пенсильванского Университета, Нитина Самарса (Nitin Samarth), заключается в электричестве, в частности в том, как компоненты компьютера, называемые Транзисторами, используют электричество для вычисления. Решением станет разработка материалов для радикально новых и супер-быстрых видов транзисторов, которые полагаются на магнетизм, а не на поток электронов. Этот принципиально новый способ вычисления называется “Спинтроника.” Самарс объяснил, что на сегодняшний день для создания более быстрых компьютерных процессоров приходится сокращать размер транзисторов, чтобы упаковать все большее количество на компьютерном чипе.

Фундаментальное ограничение, которое мешает производителям компьютеров от производства более быстрых чипов является то, что транзисторы уже начали достигать плотности, при которой генерируется количество тепла, не способное рассеиваться достаточно быстро, чтобы предотвратить плавление компьютера.

Сегодня транзистор является небольшим, но важным компонентом компьютера, который включает и выключает поток электронов. Поток электронов по отношению к сопротивлению окружающих материалов и создает это нагревание. Но компьютеры действительно нуждаются в транзисторах – они полагаются на противоположные состояния транзистора – “включено” или “выключено” для проведения математической логики, что находится в центре компьютерных вычислений.

Целью Самарса является изобретение нового способа обработки нулей и единиц. Вместо того, чтобы направлять электроны через транзистор, Самарс разрабатывает новые виды материалов, которые позволят отдельным электронам избежать нагрева путем представления бинарной системы через спин электрона, от куда и происходит название спинтроники. “В одном из аспектов квантовой механики, природа позволяет электронам вращаться только в одном направлении в присутствии определенного магнитного поля,” объяснил Самарс. Компьютерный чип, который мог бы использовать эти два новых выбора “спинтроники,” смог бы открыть дверь в новую эру ультра-быстрых, компьютеров, потребляющих мизерное количество энергии.

Одним из интересных явлений, которые люди обнаружили в последние годы является то, что можно изменить спин электрона с помощью электрического напряжения. И мы не возвращаемся к созданию теплостойких транзисторов, новый подход позволит полностью избежать нагрева.

Интеграция этих совершенно новых транзисторов, базированных на спинтронике, в компьютерных чипах является одной из целей исследовательского центра C-SPIN в Университете Миннесоты. Эта работа недавно была профинансирована Оборонным Агентством США и Корпорацией Передовых Исследований Semiconductor Research.

Для достижения этой цели, Самарс проводит эксперименты по построению новых материалов, собираемых атом за атомом.

“Это немного похоже на игру Lego на атомном масштабе,” сказал исследователь. “У нас есть две вакуумных камеры, которые мы используем для этого жестко контролируемого процесса, называемого молекулярно-лучевой эпитаксией.” Вакуумные машины огромные, блестящие, устройства из нержавеющей стали, которые занимают большую часть места в однокомнатной лаборатории Самарса и похожи на что-то из научно-фантастического фильма. Их шум создает ощущение, что вы находитесь не в лаборатории а на космической станции.

Спинтроника это не единственный вариант спасти закон Мура об удвоении компьютерной мощности каждые два года. Квантовые компьютеры, такие как Тяньхэ 2, уже в тысячи раз быстрее обычных компьютеров, используются в научных лабораториях для проведения экспериментов.