Przetwarzanie danych osiąga najmniejsze rozmiary: zintegrowany „Nano-obwód” z czystych magnonenów

Rys. 1: Róg-koppler jest przedstawiony z widoczną strukturą atomową. Fala spinowa przeskakuje z jednej nanowłókna przewodzącego na drugie nanowłókno – tam, gdzie przewody zbliżają się do siebie. (Niels Paul Bethe, SYNC audiovisual design)

Abb. 2: Główna funkcjonalność nanoskopowego kierunkowego łącznika polega na tym, że może on kierować falę spinową w zależności od jej częstotliwości, intensywności lub nałożonego pola magnetycznego na różne wyjścia. (Qi Wang, Uniwersytet Wiedeński)

Badaczom pod kierunkiem Technische Universität Kaiserslautern (TUK) oraz Uniwersytetu Wiedeńskiego udało się skonstruować podstawowy element nowatorskiego układu scalonego: zamiast elektronów, do przekazywania informacji w nanoformacie przejmują je magnony. Tzw. „magnoniczny półdodajnik”, opisany w czasopiśmie Nature Electronics, wymaga tylko trzech nanowłókien i znacznie mniej energii niż nowoczesne układy scalone.

Zespół fizyków osiągnął kamień milowy w poszukiwaniu mniejszych i bardziej energooszczędnych elementów do komputerowego przetwarzania danych: wspólnie opracowali zintegrowany układ scalony z magnetycznego materiału i magnonsów. Pozwala on na przesyłanie danych binarnych – sekwencji jedynek i zer – na których opiera się podstawowy język dzisiejszych komputerów i smartfonów.

Nowy układ scalony jest niezwykle mały i posiada opływowy, 2D-kształt, który zużywa około dziesięciokrotnie mniej energii niż nowoczesne układy CMOS. Obecny prototyp magnona nie jest tak szybki jak system CMOS. Jednak udana demonstracja otwiera teraz możliwość dalszych badań nad magnonicznym półdodajnikiem w kontekście zastosowań w kwantowym lub neuromorficznym obliczaniu.

Udana współpraca

Prototyp jest wynikiem czteroletnich badań, które sfinansowano dzięki grantowi startowemu Europejskiej Rady ds. Badań (ERC) dla Andrii Chumaka. W projekcie aktywnie uczestniczyli doc. dr Philipp Pirro z TUK oraz dr Qi Wang, obecnie pracujący jako postdoktorant na Uniwersytecie Wiedeńskim. Univ.-Prof. Chumak rozpoczął pracę nad tym projektem w TUK, a obecnie kieruje grupą badawczą na Uniwersytecie Wiedeńskim.

„Jesteśmy bardzo szczęśliwi, że udało się zrealizować przedsięwzięcie, które planowaliśmy już od kilku lat. A wynik jest nawet lepszy od oczekiwań” – mówi Chumak. Pierwszy projekt magnonicznego układu scalonego był jeszcze bardzo skomplikowany. Podziękowania kieruje do Wanga, głównego autora pracy, który w trakcie projektu „co najmniej sto razy poprawił” jego projekt. „Widzimy teraz, że układy oparte na magnonach mogą być równie dobre jak CMOS. Niestety, to jeszcze nie wystarczy, by przekonać przemysł. Aby to osiągnąć, nasz układ musiałby być prawdopodobnie co najmniej sto razy mniejszy i działać sto razy szybciej” – mówi Chumak. „Niemniej jednak, nasz element otwiera fantastyczne możliwości poza binarnymi danymi, na przykład do kwantowego obliczania magnonami przy bardzo niskich temperaturach. Pirro dodaje: „Jesteśmy również zainteresowani dostosowaniem układu do neuromorficznych komputerów magnonowych, które naśladują sposób działania naszego mózgu.”

Jak to działa

Komponenty nanoskalowego układu scalonego mają mniej niż jeden mikrometr, są znacznie cieńsze od ludzkiego włosa i nawet pod mikroskopem są ledwo widoczne. Układ składa się z trzech nanowłókien wykonanych z magnetycznego materiału o nazwie granat itrylowo-żelazowy. Włókna są ułożone blisko siebie, tworząc dwa kierunkowe koplery, które prowadzą magnony przez włókna. Magnony to kwanty fal spinowych – można je wyobrazić sobie jak fale na powierzchni stawu po wrzuceniu kamienia. W tym przypadku fale te powstają jednak na poziomie kwantowym w wyniku zakłóceń w magnetycznym porządku stałego materiału. Zespół włożył dużo pracy, aby znaleźć optymalną długość nanowłókien i najlepszy odstęp między nimi, które pozwolą osiągnąć pożądane wyniki. Wang pracował nad projektem w ramach swojej pracy doktorskiej na TUK. „Przeprowadziłem kilka setek symulacji różnych typów półdodajników” – mówi. „Obecny prototyp to już trzeci lub czwarty projekt.”

W pierwszym koplerze, w którym dwa włókna są bardzo blisko siebie, fala spinowa jest dzielona na dwie połowy. Jedna połowa trafia do drugiego koplera, gdzie przeskakuje między włóknami. W zależności od amplitudy, fala wyłania się albo z górnego, albo z dolnego włókna, co odpowiada binarnej „1” lub „0”. Ponieważ układ zawiera dwa kierunkowe koplery, które sumują dwa strumienie informacji, tworzy półdodajnik, jeden z najbardziej uniwersalnych elementów układów scalonych. Miliony takich układów mogą być łączone, aby wykonywać coraz bardziej złożone obliczenia i funkcje.

„To, co w zwykłych komputerach wymaga zazwyczaj setek elementów i 14 tranzystorów, tutaj potrzebuje tylko trzech nanowłókien, fali spinowej i nieliniowej fizyki” – podsumowuje Pirro.

Przyszłe zastosowania

Pirro, obecnie kierujący dziedziną obliczeń spintronikowych (Spintronic = elektronika spinowa) w ramach specjalnego obszaru badawczego „Spin+X” na TUK, będzie teraz badał zastosowanie magnonicznego układu scalonego do neuromorficznego obliczania. Chodzi tu nie o przetwarzanie danych według zasady binarnej, lecz o naśladowanie funkcjonowania ludzkiego mózgu. Fale spinowe są znacznie lepiej dostosowane do bardziej złożonych i odpornych na zakłócenia układów. Mają też potencjał do przesyłania znacznie większej ilości informacji, ponieważ oferują dwa parametry – amplitudę, czyli wysokość fali, oraz fazę, czyli kąt fali. W obecnym podejściu zespół nie wykorzystywał jeszcze fazy jako zmiennej, aby uprościć układ do przetwarzania danych binarnych.

„Jeśli ten układ może już konkurować z CMOS, nawet nie korzystając z pełnego potencjału falowego podejścia, to możemy być prawie pewni, że koncepcja wykorzystująca pełny zakres możliwości fal spinowych będzie bardziej efektywna w wybranych dziedzinach niż CMOS” – mówi Pirro. „Ostatecznym celem jest oczywiście połączenie zalet technologii CMOS i magnonicznej.”

Odpowiadanie na pytania:

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

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