Ученые разработали наномагнитные запоминающие устройства малой мощности
 Логические элементы, построенные на базе наномагнитов. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Около полувека назад один из сотрудников лаборатории IBM, Рольф Ландауэр (Rolf Landauer) первым показал, что вычисления являются физическим процессом. Он также доказал, что вычисления не требуют минимальных затрат энергии, а вот стирание ранее сохраненной информации – требует. Он использовал разработанную незадолго до этого теорию информации для расчета минимальной энергии, которая необходима для выполнения одной логической операции (И / ИЛИ) с учетом ограничений, накладываемых вторым законом термодинамики. Согласно этому закону необратимые процессы – такие, где логические операции или процесс удаления бита информации рассеивают энергию так, что она никогда не может быть извлечена из системы. Рассчитанный им минимум – 18 мэВ при комнатной температуре – известен сейчас как граница Ландауэра.
Принцип действия современной кремниевой электроники основан на электрическом токе, который, к сожалению, рассеивает слишком много тепла. В основном тепло производится за счет сопротивления движению электронов. А вот процессоры на основе наномагнитов не потребовали бы никаких движущихся носителей заряда, т.е. позволили бы терять намного меньше энергии во время работы. Согласно расчетам исследователей из University of California (США), выполненным для предложенных ими наномагнитных логических элементов, такие процессоры во время стирания информации будут рассеивать энергию сравнимую по порядку величины с пределом Ландауэра. Эта энергия в миллион раз меньше той, что затрачивается на одну операцию сейчас в кремниевом процессоре.
По мнению исследователей, на основе предложенных ими логических наномагнитных элементов можно было бы строить реальные схемы, работающие на пределе Ландауэра. Столь резкое снижение потребления энергии было бы по-настоящему революционным для всей отрасли.
Наномагниты, использованные учеными, имеют размеры всего 100 на 200 нм. Их применение в двоичной памяти компьютера возможно благодаря наличию двух магнитных полюсов, которые могут быть соответствующим образом ориентированы для представления 0 или 1. Если несколько таких наномагнитов расположены близко друг от друга, их полюса взаимодействуют; в результате этого взаимодействия их поведение напоминает транзисторы, на основе которых строятся простейшие логические операции. Своими расчетами исследователи показали, что цепь, составленная из 16 наномагнитов, действительно рассеивает энергию на уровне границы Ландауэра.
Хотя разработка имеет огромные перспективы, предстоит еще много всего сделать перед тем, как устройства на базе наномагнитов увидят свет. Первым делом предстоит научиться обходиться в таких системах без электрических токов, ведь сейчас электрическое поле используется, например, для создания магнитного поля, которое стирает данные или изменяет полярность наномагнита. Ученые верят, что сделать это поможет открытие новых материалов, над которыми научная группа работает совместно с коллегами из других университетов.
Также по теме:
- Наночастицы позволят эффективно превращать тепло в электричество
- Переключение магнитных свойств при помощи электрического поля
Источники: