Zpracování dat dosahuje nejmenší rozměr: Integrovaný „Nano-čip“ z čistých magnónů

Obrázek 1: Směrový rozdělovač je znázorněn s viditelnou atomovou strukturou. Spinová vlna přeskakuje z jednoho nanovodičového vedení na jiné nanovodičové vedení – tam, kde se vedení přibližují k sobě. (Niels Paul Bethe, SYNC audiovizuální design)

Obrázek 2: Hlavní funkčnost nanoskopického směrového spojky spočívá v tom, že dokáže vést spinovou vlnu v závislosti na její frekvenci, její intenzitě nebo na přiloženém magnetickém poli na různé výstupy. (Qi Wang, Vídeňská univerzita)

Výzkumníkům vedeným Technickou univerzitou Kaiserslautern (TUK) a Vídeňskou univerzitou se podařilo sestavit základní stavební kámen pro nový počítačový obvod: místo elektronů přebírají informace v nanoformátu magnony. Takzvaný „magnonický polovodič“, který je popsán v odborném časopise Nature Electronics, potřebuje pouze tři nanovlákna a mnohem méně energie než moderní počítačové čipy.

Skupina fyziků dosáhla milníku v hledání menších a energeticky úspornějších součástek pro počítačem řízené zpracování dat: společně vyvinuli integrovaný obvod z magnetického materiálu a magnony. Tento obvod umožňuje přenos binárních dat – posloupnosti jedniček a nul – na jejichž základě funguje dnešní počítače a chytré telefony.

Nový obvod je extrémně malý a má aerodynamický 2D design, který spotřebuje přibližně desetkrát méně energie než moderní čipy CMOS technologie. Aktuální prototyp magnonu sice není tak rychlý jako CMOS systém, ale úspěšná demonstrace otevírá možnost dalšího výzkumu magnonického polovodiče s ohledem na aplikace v kvantovém nebo neuromorfním výpočetnictví.

Úspěšná spolupráce

Prototyp je výsledkem čtyřletého výzkumu, který byl financován prostřednictvím Starting Grant Evropské výzkumné rady (ERC) pro Andrii Chumaka. Úzce na něm spolupracovali doc. Dr. Philipp Pirro z TUK a Dr. Qi Wang, který je v současnosti postdoktorandem na Vídeňské univerzitě. Univ.-Prof. Chumak začal na TUK s prací a nyní vede výzkumnou skupinu na Vídeňské univerzitě.

„Jsme velmi šťastní, že se nám podařilo realizovat projekt, který byl již několik let plánován. A výsledek je dokonce lepší, než jsme očekávali,“ říká Chumak. První návrh magnoniového obvodu byl ještě velmi složitý. Díky patří Wangovi, hlavnímu autorovi práce, který během projektu „alespoň stokrát“ vylepšil design. „Vidíme teď, že obvody založené na magnonech mohou být stejně dobré jako CMOS. To však bohužel zatím nestačí na to, aby nadchnuly průmysl. K tomu by náš obvod musel být pravděpodobně ještě nejméně stokrát menší a stokrát rychlejší,“ říká Chumak. „Nicméně náš komponent nabízí fantastické možnosti mimo binární data, například pro kvantové magnonické výpočty při velmi nízkých teplotách. Pirro dodává: „Máme také zájem přizpůsobit obvod pro neuromorfně založené magnonické počítače, které se inspirují funkcí lidského mozku.“

Jak to funguje

Komponenty nanoskopu měří méně než jeden mikrometr, jsou mnohem tenčí než lidský vlas a pod mikroskopem jsou téměř neviditelné. Obvod se skládá ze tří nanovláken, která jsou vyrobena z magnetického materiálu zvaného yttrium-železo-granit. Vlákna jsou umístěna těsně vedle sebe, aby tvořila dva směrové kopplery, které vedou magnony skrze vlákna. Magnony jsou kvanty spinových vln – lze si je představit jako vlny na povrchu rybníka po hodu kamene. V tomto speciálním případě jsou však vlny vytvářeny deformacemi v magnetickém uspořádání pevného materiálu na kvantové úrovni. Tým investoval hodně práce do nalezení optimální délky nanovláken a nejlepší vzdálenosti mezi vlákny, aby dosáhl požadovaných výsledků. Wang pracoval na projektu na TUK pro svou doktorskou práci. „Provedl jsem několik stovek simulací různých typů polovodičů,“ říká. „Aktuální prototyp je již třetí nebo čtvrtý návrh.“

U prvního koppleru, kdy jsou dvě vlákna velmi blízko u sebe, se spinová vlna rozdělí na dvě poloviny. Jedna polovina putuje k druhému koppleru, kde se mezi vlákny přeskakuje. V závislosti na amplitudě vlna buď vyjde na horním, nebo na spodním vlákně, což odpovídá binární „1“ nebo „0“. Protože obvod obsahuje dva směrové kopplery, které sčítají dva informační proudy, tvoří polovodič, tedy jednu z nejzákladnějších součástek počítačových čipů. Miliony těchto obvodů lze kombinovat pro provádění stále složitějších výpočtů a funkcí.

„To, co v běžných počítačích obvykle vyžaduje stovky součástek a 14 tranzistorů, zde stačí pouze tři nanovlákna, spinová vlna a nelineární fyzika,“ shrnuje Pirro.

Budoucí využití

Pirro, který v současnosti na TUK vede výzkumnou oblast spintronicového výpočetnictví v rámci speciálního výzkumného centra „Spin+X“, nyní bude zkoumat využití magnoniového obvodu pro neuromorfně založené výpočty. Jde o to, nikoliv o zpracování dat podle binárního principu, ale o přiblížení se fungování lidského mozku. Spinové vlny jsou totiž vhodnější pro složitější a odolnější návrhy s menším šumem. Mají také potenciál přenášet mnohem více informací, protože nabízejí dva parametry – amplitudu, tedy výšku vlny, a fázi, tedy úhel vlny. U současného přístupu tým ještě fázi nevyužíval jako proměnnou, aby byl systém co nejjednodušší pro binární zpracování dat.

„Pokud tento systém již dokáže konkurovat CMOS, i když ne využívá plný výkon vlnové metody, můžeme být poměrně jistí, že koncept využívající celý potenciál spinové vlny může být v určitých oblastech efektivnější než CMOS,“ říká Pirro. „Protože konečným cílem je samozřejmě kombinace sil CMOS a magnonické technologie.“

Odpovědi na otázky:

Jun.-Prof. Dr. Philipp Pirro
Technická univerzita Kaiserslautern  
Tel.: +49 631 205 4092   
E-mail: ppirro[a]physik.uni-kl.de

Univ.-Prof. Dr. habil. Andrii Chumak
Vídeňská univerzita
Tel.: +43 1 4277-73910
E-mail: andrii.chumak[a]univie.ac.at