Учёные разработали технологию, которая может позволить экстремально уменьшить размеры вычислительных компонентов, открывая путь к созданию компактных и высокопроизводительных устройств.
Чем меньше транзисторы и логические элементы в процессоре, тем больше вычислительной мощности можно уместить на меньшей площади. Однако физические ограничения кремния приводят к тому, что мы приближаемся к пределу миниатюризации этих компонентов.
Тем не менее, новая техника, основанная на ультрабыстром переключении между спиновыми состояниями в двумерных магнитах для представления переходов между бинарными состояниями 1 и 0, может привести к созданию гораздо более плотных и энергоэффективных компонентов.
Эта техника стала возможной благодаря новому типу магнитного туннельного перехода (MTJ) — материалу, который действует как устройство хранения данных в вычислительной системе. Учёные поместили хромтрийодид (2D-изолирующий магнит) между слоями графена и пропустили через него электрический ток, чтобы задать ориентацию магнита в отдельных слоях хромтрийодида.
Использование таких MTJ может позволить разместить на чипе больше вычислительной мощности, чем это считалось возможным ранее, при этом потребляя гораздо меньше энергии в процессе переключения. Исследователи опубликовали свои результаты в новом исследовании, опубликованном 1 мая в журнале Nature Communications.
В статье учёные продемонстрировали, что 2D-магниты могут поляризоваться, представляя бинарные состояния — единицы и нули компьютерных данных, что открывает путь к созданию высокоэнергоэффективных вычислительных устройств.
Использование спинтроники для ускорения вычислений
Точное управление магнитной фазой двумерных материалов является ключевым шагом в спинтронике (управлении спином электрона и связанной с ним магнитной составляющей). Новая техника позволяет изменять спиновые состояния в хромтрийодиде с помощью полярности и амплитуды электрического тока. Это возможно благодаря тому, что это соединение является ферромагнитным (то есть обладает магнитными свойствами и может притягивать магниты, подобно железу). Кроме того, хромтрийодид является полупроводником — материалом, чья проводимость находится между проводником и изолятором.
Ключевым компонентом спинтроники является MTJ — два ферромагнитных слоя, разделенных изолирующим барьером. Управление спиновым состоянием MTJ уже используется в различных компьютерных компонентах, таких как считывающие головки жёстких дисков. Однако точный контроль толщины его слоёв и качества их взаимодействия друг с другом остаётся сложной задачей.
Материалы должны выдерживать высокие плотности тока, составляющие не менее 10 миллионов ампер через область размером примерно с ноготь, а также соответствовать требованиям миниатюризации устройств и энергоэффективности. Для сравнения, типичная молния имеет силу тока от 1 тыс. до 300 тыс. ампер.
«Эта статья касается того, что у туннельного тока могут быть два возможных состояния: спин-параллельное и анти-параллельное, — сказала в интервью LiveScience Аделина Илие (Adelina Ilie), преподаватель физики в Университете Бата (Великобритания), специализирующаяся на 2D-магнитах. — Если существуют два определённых состояния, их можно использовать в качестве логических элементов в компьютере.»
Гораздо большая энергоэффективность для будущих систем ИИ
Учёные создали двумерные магниты ван-дер-Ваальса (хромтрийодид), а затем нанесли атомарно тонкие слои графена, гексагонального боронитрида и хромтрийодида друг на друга, чтобы сформировать туннельные переходные устройства, которые затем охладили до почти абсолютного нуля. Они одновременно пропускали электрический ток через материал и измеряли его с помощью источника тока в 16-миллисекундных импульсах.
Специалисты отметили, что напряжение случайным образом переключалось между уровнями, соответствующими спин-параллельным и спин-антипараллельным состояниям внутри хромтрийодида, при этом 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 в пределах микросекунд (микросекунда — одна миллионная доля секунды).
«Эти состояния не совсем стабильны, — объяснила Илие. — На самом деле, ток перемещается из одного состояния в другое, обратно и вперёд случайным образом, но среднее время пребывания в одном состоянии или другом зависит от напряжения. Это даёт нам два состояния, которые мы можем выбирать детерминированно.»
Эти два состояния, которые могут использоваться как логические элементы, позволяют работать в гораздо меньшем масштабе, чем это было возможно ранее. Использование этой технологии позволит производителям создавать чипы с большей вычислительной мощностью. Однако необходимость поддержания температур близких к абсолютному нулю делает практическое внедрение таких устройств сложной задачей.
«Что делает эту работу особенной, так это то, что энергия, необходимая для перехода из одного состояния в другое, на порядок ниже, чем в традиционных магнитных туннельных переходах, — заключила Илие. — С новыми технологиями, такими как генеративный ИИ, которые значительно увеличивают потребление энергии, поддерживать текущие стандарты будет невозможно, поэтому нужны устройства, которые будут более энергоэффективными.»
