Revoliucinė kompiuterio atmintinė su magnetais

Revoliucinis atstumo matuoklis Leica DISTO S910!!! Leica Disto S910 3D Measurements (Birželis 2019).

Anonim

Kai elektronikos energijos efektyvumas kelia iššūkį, magnetinės medžiagos gali turėti sprendimą.

Energijos vartojimo efektyvumas sukurs ar sutrikdys ateitį. Kadangi elektronikos energijos paklausa ir toliau didėja, "Semiconductor Research Corporation" įspėja, kad per du dešimtmečius pasaulinė skaičiavimų energetinė paklausa bus didesnė už visą pagamintą kiekį. Vincentas Sokalski, mokslų ir inžinerijos mokslų daktaras Carnegie Mellon universitete, dirba spręsdamas šią problemą naudojančias magnetines medžiagas energiją tausojančiai atminčiai ir skaičiavimams.

Sokalski neseniai gavo $ 1.8 milijonų dotaciją iš gynybos pažangių mokslinių tyrimų projektų agentūros (DARPA) už savo projektą "Domeno sienų skyrmions: topologiniai sužadinimo apsiriboti 1-D kanalais." Kartu su CMU profesoriais Marc De Graef (MSE) ir Di Xiao (fizika), "Sokalski" ieškos naujų būdų, kaip efektyviai apdoroti ir saugoti informaciją su magnetinėmis medžiagomis.

Nors magnetinės medžiagos jau naudojamos šiuolaikiniuose standžiojo disko įrenginiuose ilgalaikiam saugojimui, šiuo metu puslaidininkiai naudojami trumpalaikiam atminimui ir apdorojimui, taigi didžioji dalis energijos sunaudojama. Tačiau, kadangi puslaidininkiai susitraukia, kad atitiktų vartotojų lūkesčius dėl greičio ir tankio, yra ribos, kiek jų mažos, nesumažinant informacijos. DARPA pripažįsta šį iššūkį ir mokslinių tyrimų projektus, finansuojamus pagal DARPA programos "Topologiniai sužadinimo elektronika" programos programą, ieškant būdų naudoti "topologinę apsaugą", siekiant tobulinti magnetines medžiagas, kurias galima naudoti kompiuterio atmintyje arba procesoriams.

Įsivaizduokite dubenį su mažu rutuliniu viduje. Kai jo purtyti, rutulys juda į viršų ir žemyn į dubenį, sustojus viduje. Tačiau, jei jūs tai padarėte su mažesniu dubeniu, kamuolys galiausiai gali išsivystyti. Panašiai, kai puslaidininkis susiduria su šiluma, jis gali prarasti informaciją. Kuo mažesni jūs gaminate puslaidininkius, tuo didesnė rizika yra duomenų praradimas.

"Pagrindinė fizika, dėl kurios esame, nėra kažkas, su kuo mes galime lengvai pasikeisti, " - aiškina Sokalski, - bet mes galime pažvelgti į visiškai skirtingas medžiagų sistemas ir mechanizmus, kuriuose mes judame magnetines funkcijas, ir naudojant tuos magnetinius elementus, kad pasikeistų pasipriešinimas kompiuterio įrenginys. Tačiau norint tai padaryti, mums tikrai reikia ištirti ir atrasti naujas medžiagas, kurios gali tarnauti tam tikslui ".

Įveskite magnetines medžiagas. Patobulinant magnetines medžiagas, Sokalski tikisi, kad vieną dieną suras naujų medžiagų, kurios gali padidinti ar net pakeisti puslaidininkius skaičiuojant.

Sokalski projektas prasideda magnetiniais skyrmionais arba 2-D magnetiniais burbuliukais. Jei naudojamas kompiuterio atmintyje, kiekvienas burbulas saugo vieną bitų duomenis.

"Skyrmions - burbuliukų atminimo idėja", plačiai tyrinėta 70-ųjų ir 80-ųjų metų atgimimas, sako Sokalski. "Išskyrus dabar, burbuliukai yra daug mažesni, stabilesni ir turi topologinę apsaugą, todėl mes galime juos perkelti su didesniu energijos vartojimo efektyvumu, nei mes galėjome juos perkelti prieš 40 ar 50 metų."

Magnetinėje medžiagoje manau, kad kiekvienas elektronas yra mažas baro magnetas su šiaurės ir pietų polių, kurie visi nukreipti į tą pačią kryptį. Tai vadinamos nugaros. Sokalski yra suinteresuotas, kaip sukurti topologinius defektus šiose nugaros linijose.

Norėdami suprasti topologinės apsaugos svarbą, pirmiausia turite suprasti topologinius defektus. Įsivaizduokite, kad sūrio padėklą supjaustote su draugu. Vienas iš jūsų prasideda dešinėje dėklo pusėje, kiekvieną sūrio gabalėlį įdėkite ant kitos, o kitas - kairėje pusėje. Galų gale jūs susitiksite viduryje, o jūsų sūrio skiltelės susidurs, o ne sulygiuos tokiu pat kampu. Tas taškas, kur jie susiduria, yra topologinio defekto esmė.

Norėdami ištrinti topologinį defektą, jūs turite apversti kiekvieną "gabaliuką sūrio" vienoje defekto pusėje. Magnetizmu, jei pusė jūsų sukasi grandinės taške į kairę, o visi kiti nukreipia priešingą pusę, viduryje atsiras defektas. Kad defektas išnyktų, jūs turite pakeisti kiekvieną nugarą vienoje pusėje, perkelkite jį į grandinės kraštą.

Magnetizmu šie topologiniai defektai yra labai vertingi. Jei turite topologinį defektą, tai reiškia, kad jūsų duomenys yra topologiškai apsaugoti, nes jei tik viena nugara spontaniškai užsifiksuoja į priešingą pusę, defektas pasikeičia, o ne išnyksta.

Kodėl ši tema staiga atsiranda magnetinių medžiagų tyrimuose? Visas magnetizmas remiasi kazka, vadinama Heisenbergo birža, kvantiniu mechaniniu poveikiu, kuris sukelia elektronų sukimosi lygiagretumą lygiagrečia kryptimi. Tačiau naujo reiškinio, vadinamo Dzyaloshinskii-Moriya sąveika (DMI), atradimas leidžia statmenai sulyginti gretimus grįžtuvus. "Heisenberg Exchange" ir "DMI" derinys, tai yra Sokalski studijos, sukelia naujo tipo magnetizmą, dėl kurio elektronų nugarai turi nuolat besikeičiančią konfigūraciją.

"Pasirodo, kad šios naujos sąveikos stabilizuotos magnetinės medžiagos savybės gali būti manipuliuotos efektyviau, nei tais atvejais, kai tai tik" Heisenbergo birža ", sako Sokalski.

Turint didesnę kontrolę skyrmions ir topologinių defektų reikštų patikimesnį duomenų saugojimą ir energijos efektyvumą skaičiavimo srityje.

"DARPA nori apeiti laukiančius energiją tausojančios elektronikos iššūkius", - sako S. Sokalski, - ir tas svarstykles iš pagrindinių fizinių koncepcijų, susijusių su nugara, iki kompiuterių, turinčių visiškai kitokią grandinės architektūrą, dizaino. efektyvus skaičiavimas, kuris atitinka dirbtinio intelekto ir mažo dydžio kompiuterių poreikius, kartu sušvelnindamas jų pasaulinį energijos poveikį ".

MSE Ph.D. studentai Maxwell Li ir Derekas Lau ir Fizikos mokslų daktaras Ran Cheng yra šio projekto bendradarbiai, be to, bendradarbiaujantys tyrėjai Timas Mewesas ir Claudia Mewes Alabamos universitete.

menu
menu