Магнитные вихри – ключ к созданию сверхбыстрых и энергоэффективных компьютеров

Группа ученых из Сингапура создала микроэлектронное устройство, которое может потенциально функционировать как высокопроизводительный и экологичный «битовый переключатель», что открывает путь к созданию будущих компьютерных технологий, способных обрабатывать данные намного быстрее при значительно меньшем энергопотреблении.

Секрет кроется в крошечных, стабильных и быстрых магнитных вихрях, называемых скирмионами. Устройство, использующее их свойства, может работать, потребляя в 1 000 раз меньше энергии, чем существующие коммерческие технологии памяти.

Развивающиеся технологии ИИ, такие как ChatGPT, требуют обработки огромных объемов данных на колоссальных скоростях, что приводит к огромным энергозатратам. ИКТ уже потребляют почти 20% мировой электроэнергии, и по мере роста сложных моделей ИИ показатель будет только расти. Чтобы удовлетворить быстрорастущие потребности, фундаментальный «переключатель» вычислений, или бит памяти, был уменьшен до микроскопических размеров, приближаясь к своим физическим пределам.

Раскрывая потенциал скирмионов

Скирмионы — это крошечные магнитные вихри, в 10 000 раз меньше ширины человеческого волоса, которые образуются в определенных магнитных слоях, когда их делают чрезвычайно тонкими. Вихри, открытые всего 10 лет назад, могут быть чрезвычайно стабильными, компактными и эффективно перемещаться между магнитными областями. Они являются идеальными мобильными переключателями для эффективной обработки больших объемов данных, необходимой для технологий ИИ.

Чтобы раскрыть огромный потенциал скирмионов, необходим доступ к ним с помощью электрических путей, аналогичных тем, которые используются в компьютерах. Хотя скирмионы можно увидеть с помощью специальных микроскопов, а их манипуляция с помощью громоздких магнитов осуществляется уже более 10 лет, отсутствие электрического управления было серьезным препятствием для их технологической применимости.

Художественное изображение микроэлектронного устройства (слева) и пластина диаметром 200 мм, содержащая более 100 000 микроэлектронных устройств

Прорыв исследовательской группы заключается в том, что им впервые удалось добиться электрического считывания («идентификации») скирмиона и электрического переключения между состояниями (например, с «0» на «1» и наоборот). Для этого команда использовала устройство, известное как туннельный переход, который функционирует при комнатной температуре и широко используется в коммерческих приложениях для памяти и жестких дисков.

Ученые обнаружили, что особые свойства скирмионов позволяют переключаться между состояниями, потребляя энергии в 1 000 раз меньше, чем коммерческие устройства. Кроме того, было установлено, что в одном устройстве можно достичь более двух состояний, что устраняет необходимость уменьшения размера устройства для повышения производительности.

Кроме того, скирмионы могут быть использованы для создания новых типов логических устройств, которые будут более энергоэффективными и компактными, чем существующие транзисторы. Также скирмионы могут найти применение в создании нейроморфных вычислительных систем, которые смогут имитировать работу человеческого мозга.

Будущее направление исследований

Созданное микроэлектронное устройство поможет закрепить скирмионы в качестве неотъемлемого компонента будущих вычислений. Микроэлектронные устройства изготавливаются на 200-миллиметровых кремниевых пластинах с использованием материалов и методов, которые уже применяются на существующих микроэлектронных производствах в Сингапуре и во всем мире

Команда надеется, что после дальнейшего совершенствования электрических характеристик усовершенствованный вычислительный переключатель может быть легко интегрирован в микропроцессоры с использованием общепринятых подходов. Группа ищет возможности для сотрудничества с производителями полупроводников и системными интеграторами для масштабирования технологии и ее более широкого внедрения.