Energooszczędne pamięci magnetyczne

Naukowcy z University of California w Berkeley w USA stworzyli pamięci magnetyczne oraz urządzenia logiczne zużywające małe ilości energii elektrycznej. Zdaniem badaczy wdrożenie kolejnych usprawnień może spowodować, że urządzenia te będą mogły pracować blisko „limitu Landauera” tzn. z minimalnym poborem energii.

Pół wieku temu fizyk Rolf Landauer, pracujący wówczas dla IBM, stwierdził, że informacje oraz obliczenia są procesami fizycznymi. Pokazał także, że wbrew powszechnie panującej w tamtym czasie opinii, przeprowadzanie obliczeń, w przeciwieństwie do procesów kasowania informacji, nie powinno wymagać minimalnej ilości energii (tzw. zasada Landauera). Do obliczenia minimalnej energii procesów logicznych (np. operacji AND (mnożenia) lub OR (dodawania)) użył nowo opracowanej teorii informacji nakładającej pewne ograniczenia wynikające z drugiej zasady termodynamiki. Według tej teorii wszelkie operacje logiczne oraz procesy usuwania informacji powodują dyssypację (rozpraszanie) energii, której nie można odzyskać z danego układu. Minimalna ilość energii obliczona przez Landauera wyniosła 18 meV (w temperaturze pokojowej) i jest obecnie znana jako limit Landauera.

Nanomagnesy

Współczesne układy elektroniczne bazujące na półprzewodnikowym krzemie wytwarzają bardzo duże ilości ciepła (konsekwencja ruchu swobodnych elektronów). Zdaniem naukowców z Berkeley, mikroprocesory wytwarzane w oparciu o skonstruowane przez nich nanomagnesy, nie wymagałyby do pracy swobodnych elektronów, tym samym znacznie przyczyniając się do ograniczenia zużycia energii elektrycznej. Zgodnie z obliczeniami teoretycznymi wykonanymi przez badaczy, straty energii w urządzeniach pracujących w reżimie limitu Landauera tj. z minimalnym poborem energii, byłyby około miliona razy mniejsze w porównaniu ze współczesnymi urządzeniami. „Uważam, że stworzenie rzeczywistych urządzeń działających w reżimie Landauera powinno być możliwe”, powiedział jeden z naukowców. „Gdybyśmy mogli obniżyć zużycie energii nawet o jeden rząd wielkości, byłoby to absolutnie rewelacyjne rozwiązanie”.

Szerokość i długość nanomagnesów przyjęta do obliczeń wynosiła odpowiednio 100 i 200 nm. Zdaniem badaczy ich potencjalnym zastosowaniem, oprócz mikroprocesorów, mogłyby być np. pamięci komputerowe. Co więcej, ze względu na oddziaływanie typu dipol-dipol występujące pomiędzy biegunami magnetycznymi w układzie blisko ułożonych nanomagnesów, można oczekiwać zastosowania tego typu obiektów w urządzeniach wykonujących proste obliczenia logiczne. Według obliczeń, układ składający się z szesnastu połączonych nanomagnesów powinien również pracować w reżimie limitu Landauera. Jednakże, zanim pamięci i urządzenia logiczne bazujące na tych nanomagnesach ujrzą światło dzienne, konieczne jest opracowanie pewnych rozwiązań. Jednym z nich jest znalezienie sposobu, aby praca nanomagnesów mogła odbywać się bez udziału prądu elektrycznego. Obecnie, prąd elektryczny służy do generowania pola magnetycznego usuwającego lub odwracającego polaryzację nanomagnesów.

Poszukiwania materiałów

Obecnie zespół z Berkeley pracuje nad znalezieniem odpowiednich materiałów, z których można by wytwarzać takie nanomagnesy. Zdaniem jednego z naukowców „bardzo obiecujące są tzw. multiferroiki (materiały charakteryzujące się więcej niż jedną cechą materiałów ferroikowych tzn. ferromagnetyzmem, ferroelektrycznością, ferroelastycznością oraz ferrotoroidalnością), które umożliwiłoby kontrolę namagnesowania za pomocą napięcia, a nie zewnętrznego pola magnetycznego”.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com