Исследователи разработали технологию, которая может обеспечить максимальную миниатюризацию вычислительных компонентов, прокладывающую путь к созданию компактных и высокопроизводительных устройств. Чем меньше транзисторы и логические элементы в процессоре, тем больше вычислительной мощности может быть размещено на меньшей площади. Но физические ограничения кремниевых компонентов означают, что мы приближаемся к пределу того, насколько малыми могут быть эти компоненты. Однако новая технология, включающая сверхбыстрое переключение между состояниями вращения в двумерных магнитах — для переключения между бинарными состояниями 1 и 0 — может привести к созданию гораздо более плотных и энергоэффективных компонентов. Этот метод основан на новом типе магнитного туннельного перехода (MTJ) — структуре материала, которая действует как устройство хранения данных в вычислительной системе. Ученые поместили трийодид хрома (двумерный изолирующий магнит) между слоями графена и пропустили через него электрический ток, который определял ориентацию магнита внутри отдельных слоев трийодида хрома. Использование этих MTJ поможет встроить больше вычислительной мощности в один чип, чем считалось возможным ранее, при одновременном потреблении гораздо меньшего количества энергии в процессе переключения. Исследователи опубликовали свои выводы в новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications. В своей работе ученые продемонстрировали, что двумерные магниты могут быть поляризованы для представления двоичных состояний — единиц и нулей вычислительных данных — что открывает путь к высокоэффективным вычислениям.
Использование спинтроники для ускорения вычислений
Точное управление магнитной фазой двумерных материалов является важнейшим шагом в спинтронике (управление спином электрона и связанным с ним магнитным моментом). Благодаря точному управлению током (используя полярность и амплитуду тока) новая технология позволяет изменять спиновые состояния в трийодиде хрома. Это стало возможным потому, что соединение является ферромагнитным (оно обладает магнитными свойствами и может притягивать магниты аналогично железу). Это соединение также является полупроводником — материалом, проводимость которого находится между металлом и изолятором.
Ключевым компонентом спинтроники является MTJ — два ферромагнитных слоя, разделенных изолирующим барьером. Управление состоянием вращения MTJ – это технология, которая уже используется в различных компьютерных компонентах, таких как считывающие головки жестких дисков. Но точный контроль толщины составляющих его слоев и качества их взаимодействия друг с другом оказался сложной задачей. Материалы должны выдерживать высокую плотность тока, составляющую не менее 10 миллионов ампер на площади размером примерно с ноготь, а также соответствовать требованиям миниатюризации устройства и энергоэффективности. Для сравнения, типичная сила разряда молнии составляет от 1000 до 300 000 ампер.
"Эта статья посвящена тому факту, что у туннельного тока могут быть два возможных состояния: спин-параллельное и антипараллельное", – рассказала LiveScience Аделина Илие, преподаватель физики в Университете Бата в Великобритании, специализирующаяся на 2D-магнитах. "Если есть два определенных состояния, их можно использовать в качестве логических элементов в компьютере".
Энергоэффективность для будущих систем искусственного интеллекта
Ученые создали двумерные магниты на основе ван—дер-Ваальса (трийодида хрома), затем наложили друг на друга атомарно тонкие чешуйки графена, гексагонального нитрида бора и трийодида хрома, чтобы сформировать устройства туннельного соединения, которые они охладили почти до абсолютного нуля. Они одновременно пропускали электрический ток через материал и измеряли его с помощью измерителя источника импульсами продолжительностью 16 миллисекунд.
Они отметили, что напряжение произвольно переключалось между уровнями, соответствующими спин-параллельному и спин-антипараллельному состояниям в трийодиде хрома, 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 составляло порядка микросекунд.
"Эти состояния не совсем стабильны", – объяснил Илие. "На самом деле ток переходит из одного состояния в другое стохастически, но в среднем он остается в том или ином состоянии дольше, в зависимости от напряжения. Это дает нам два состояния, которые мы можем определить."
Эти два состояния можно использовать в качестве логических уровней. Используя такую технологию, производители могли бы создавать компьютерные чипы с большей вычислительной мощностью. Но необходимость поддерживать рабочие температуры, близкие к абсолютному нулю, означает что практическая реализация футуристических устройств будет сложной задачей.
