Новый подход в конструировании более эффективных логических переключателей

Ученые разработали совместимый с кремнием метод использования квантово-механических “спинов” для передачи цифровой информации.

Ученые Массачусетского Технологического Института и Государственного Института Стандартов продемонстрировали новый, основанный на квантовой механике, метод передачи цифровой и аналоговой информации.

Предыдущие попытки подразумевали под собой использование элементов, которые могли быть построены только на дорогих, экзотических металлах-основах. Так что, во-первых, новый метод опирается на те же самые кремниевые основы, используемые для производства транзисторов и микросхем. А во-вторых, их использование возможно при комнатной температуре без необходимости охлаждения.

Эти два существенных отличия означают, что этот способ - перспективный кандидат для коммерческого использования. В этом есть хороший потенциал для логических решений, предлагающих очень ощутимые преимущества для современных переключателей, также известных, как цифровые логические устройства, которые зависят от энергоемких процессов передачи электронов, требующих охлаждения.

Что такое магноны?

Как это описывает Государственный Институт Стандартов и Технологий, магноны - это “по сути, волны, которые перемещаются через магнетические материалы и могут переносить информацию”. В данном случае, магнетическими материалами являются электроны, находящиеся на соседних атомах, которые обладают квантово-механическим свойством, который называется “спин”. Как и в магнитах, с которыми мы знакомы, они могут находиться в состояниях или “север”, или “юг”, а также могут менять свой спин в этих двух возможных направлениях.

Спиновые волны

Возбуждающий волну первый электрон цепей, представленный с левой или с правой стороны диаграммы, посылает “волну спиновых изменений, перемещаясь вниз сквозь цепь”, как описано в статье Государственного Института Стандартов и Технологий.    Это порождает напряжение, которое можно считать внизу каждой цепи.

На левой стороне, направление всех спинов указывает в одном направлении, приводя к относительно высокому напряжению, созданному внизу. На правой стороне спины из ЖИТ-материалов (железо-иттриевый гранат) вынуждены принять противоположное направление, что приводит к более низкому напряжению.

Более низкое напряжение соответствует “0”, а более высокое - “1”, что соотносится с цифровой логикой. Как описывает Патрик Кватерман, физик Центра Нейтронных Исследований при Государственном Институте Стандартов и Технологий “Это - строительный блок, который может проложить мост к новому поколению более эффективных компьютерных технологий”.

Больше никакой впустую потраченной энергии для производства ненужного проблемного тепла.

Сегодня компьютерная логика зависит от перемещения электронов при вычислениях и передачи результатов. Это дорого с точки зрения затраченной энергии. Более того, паразитическое тепло требует наличия больших источников поглощения тепла, которые используют место на материнских платах и, возможно, вентиляторов, что приводит к потреблению еще большей энергии.

Электроны, которые являются сердцем этого нового класса переключателей, сами по себе неподвижны, меняется только их спин. В результате, производится гораздо меньше тепла.

За пределами всего лишь цифрового

Компоненты из магнонов умеют больше, чем просто хранить “0” или “1”. Они могут запоминать аналоговые значения, такие как 0.1, 0.35 или 0.9. Как говорит Кватерман “Вот почему мы считаем это чем-то, вроде задвижки, которую можно открывать или чуть закрывать на время”.

В этом заключается очень важный смысл. Нужно десять цифровых переключателей, чтобы хранить число от 0 до 1024. Немного памяти с гораздо более маленьким количеством ячеек, чем в современных устройствах, могут оказаться очень практичными, хотя и будут зависеть от разрешающей способности построенных на магнонах компонентов.

Экономия энергии персональной электроники и устройств со встроенным “Интернетом вещей”.

Экономия энергии является важной проблемой современной электронной инженерии. Первая причина зачем это нужно, чтобы избежать мириада проблем, связанных с потраченной впустую энергией, которая оборачивается выделением тепла и компромиссами, на которые нужно идти, чтобы с ним бороться. Другая - увеличение времени жизни батарей персональной электроники и устройств со встроенным “Интернетом вещей”.

Логические элементы, построенные на магноновых волнах будут служить для уменьшения производства тепла во время вычислений и хранения информации. Мы обсуждали использование фото-электроники для передачи информации как внутренней, так и между микросхемами как способ уменьшить выделение тепла и потраченной энергии.

Обе эти технологии демонстрируют значительные показатели в плане экономии энергии и уменьшении производимого тепла.