Adatfeldolgozás eléri a legkisebb dimenziót: integrált „Nano-áramkör” tiszta mágneses részecskékből

Ábra. 1: A irányítóköppler látható atomstruktúrával van ábrázolva. A spinhullám egyik nanocsővezetékből a másikba ugrik – ott, ahol a vezetékek közel kerülnek egymáshoz. (Niels Paul Bethe, SYNC audiovizuális tervezés)

Ábra. 2: A nanoszkópos irányítóköpülő fő funkciója az, hogy egy spinhullámot a frekvenciája, intenzitása vagy a rá alkalmazott mágneses tér függvényében különböző kimenetekre irányítson. (Qi Wang, Bécsi Egyetem)

A Kaiserslautern Műszaki Egyetem (TUK) és Bécsi Egyetem vezetésével kutatók sikerrel megépítették egy új típusú számítógépes áramkör alapkövét: az elektronok helyett magnónok veszik át az információátvitelt nanoméretben. Az úgynevezett „magnonikus féladó” nevű, a Nature Electronics szaklapban bemutatott eszköz mindössze három nanószálat igényel, és sokkal kevesebb energiát fogyaszt, mint a modern számítógépek chipei.

Egy fizikusokból álló csapat mérföldkövet ért el a kisebb és energiahatékonyabb alkatrészek keresésében a számítógépes adatfeldolgozás területén: közösen kifejlesztettek egy integrált áramkört mágneses anyagból és magnónokból. Ez lehetővé teszi bináris adatok – azaz egyesek és nullák – továbbítását, amelyek a mai számítógépek és okostelefonok alapnyelvén alapulnak.

Az új áramkör rendkívül kicsi, és egy folyékony vonalvezetésű, 2D-s kialakítást mutat, amely körülbelül tízszer kevesebb energiát igényel, mint a CMOS technológiát alkalmazó modern számítógépcsipek. A jelenlegi magnón-prototípus ugyan nem olyan gyors, mint a CMOS rendszer, de a sikeres bemutatás lehetőséget nyit arra, hogy a magnonikus féladót a kvantum- vagy neuromorfológiai számítások alkalmazására tovább kutassák.

Sikeres együttműködés

A prototípus négyéves kutatómunka eredménye, amelyet az Európai Kutatási Tanács (ERC) egy kezdő támogatásával finanszírozott Andrii Chumak számára. Szorosan együttműködtek a TUK-ról Jun.-Prof. Dr. Philipp Pirro és a Bécsi Egyetemről Dr. Qi Wang, aki jelenleg posztdoktori kutatóként dolgozik az egyetemen. Chumak egyetemi professzor a TUK-nál kezdte a munkát, és most a Bécsi Egyetemen vezet egy kutatócsoportot.

„Nagyon örülünk, hogy a néhány évvel ezelőtt tervezett projekt most sikerrel zárult. Ráadásul az eredmény még jobb, mint vártuk” – mondja Chumak. Az első vázlat a magnonikus áramkörből még nagyon összetett volt. Köszönet illeti Wangot, a munka fő szerzőjét, aki a projekt során az áttervezést „legalább százszor jobbá” tette. „Most már látjuk, hogy a magnón alapuló áramkörök ugyanolyan jók lehetnek, mint a CMOS. Ez azonban sajnos még nem elég ahhoz, hogy az ipart lenyűgözzük. Valószínűleg az áramkörünknek legalább százszor kisebbnek kellene lennie, és százszor gyorsabban kellene működnie” – mondja Chumak. „Mindazonáltal az alkatrészünk fantasztikus lehetőségeket nyit meg a bináris adatokon túl, például a kvantummagnonikus számításokhoz nagyon alacsony hőmérsékleten. Pirro hozzáteszi: „Érdekel minket az is, hogy az áramkört neuromorfológiai magnonikus számítógépekhez igazítsuk, amelyek az agyunk működését követik.”

Hogyan működik

A nanoszámítógép komponensei kevesebb mint egy mikrométeresek, sokkal vékonyabbak, mint egy emberi hajszál, és még mikroszkóppal is alig láthatók. Az áramkör három nanószálból áll, amelyek egy Yttrium-vas-granát nevű mágneses anyagból készültek. A szálakat szorosan egymás mellett helyezték el, hogy két iránykötőt alkossanak, amelyek a magnónokat vezetik a szálakon keresztül. A magnónok spinhullámok kvantumai – ezeket úgy lehet elképzelni, mint a hullámokat egy tó felszínén, amikor egy kő esik bele. Ebben az esetben azonban a hullámokat a mágneses rend zavarai hozzák létre egy rögzített anyag kvantumszintjén. A csapat sok munkát fektetett abba, hogy megtalálja az optimális nanószálhosszt és a szálak közötti legjobb távolságot, amelyekkel a kívánt eredmény elérhető. Wang a TUK-nál doktori munkája során dolgozott a projekten. „Néhány száz szimulációt végeztem különböző típusú féladókra” – mondja. „A jelenlegi prototípus a harmadik vagy negyedik tervezet.”

Az első kötőelem, ahol két szál nagyon közel van egymáshoz, a spinhullámot két felé osztja. Az egyik felét a második kötőelemhez irányítják, ahol az a szálak között ugrál. Az amplitúdótól függően a hullám vagy a felső, vagy az alsó szálon jelenik meg, ami egy bináris „1” vagy „0” értéknek felel meg. Mivel a kapcsolás két iránykötőt tartalmaz, amelyek két információs áramot adnak össze, egy féladót alkotnak, amely a számítógépchipek egyik legáltalánosabb összetevője. Millió ilyen áramkör kombinálható egyre összetettebb számítások és funkciók végrehajtására.

„Ami egy normál számítógépben általában száz alkatrész és 14 tranzisztor szükséges, az itt mindössze három nanószál, egy spinhullám és nemlineáris fizika” – foglalja össze Pirro.

Jövőbeli alkalmazások

Pirro, aki jelenleg a TUK-nál a „Spin+X” különleges kutatási területen a Spintronic-Computing (Spintronic = Spin Elektronika) szakterületet vezeti, most a magnonikus áramkör neuromorfológiai számításokban való alkalmazását fogja kutatni. Ez nem a bináris adatfeldolgozásról szól, hanem inkább az emberi agy működésének megközelítéséről. Mivel a spinhullámok sokkal alkalmasabbak egy összetettebb és zajtoleránsabb rendszer kialakítására. Emellett potenciálisan sokkal több információt képesek szállítani, mivel két paramétert kínálnak – az amplitúdót, azaz a hullámmagasságot, és a fázist, azaz a hullám szögét. A jelenlegi megközelítésben a csapat még nem használta a fázist változóként, hogy a bináris adatfeldolgozást a lehető legegyszerűbben tartsa.

„Ha ez az eszköz már versenyezni tud a CMOS-szal, még akkor is, ha nem használja ki a hullámalapú megközelítés teljes teljesítményét, akkor elég biztosak lehetünk benne, hogy egy olyan koncepció, amely kihasználja a spinhullám teljes spektrumát, bizonyos területeken hatékonyabb lehet, mint a CMOS” – mondja Pirro. „Végső célunk természetesen a CMOS és a magnonikus technológia erősségeinek ötvözése.”

Kérdések megválaszolása:

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

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