Устройства логики и памяти, такие как жесткие диски в компьютерах, сегодня всё чаще строятся на использовании наномагнитных механизмов для хранения и обработки информации. В отличие от кремниевых транзисторов, которые имеют естественные ограничения по эффективности работы (усилению сигналов), они не требуют энергии для поддержания своего магнитного состояния: энергия нужна только для чтения и записи информации.
Один из известных старых методов управления магнетизмом использует электрический ток, который инициирует вращение диска для записи информации. Поскольку это приводит к потере тепла и энергии, затраты могут быть огромными, особенно в случае крупных серверных ферм или в приложениях, таких как искусственный интеллект, которые требуют огромных объемов памяти. Диск, однако, можно «вращать» без действующего на него заряда с помощью топологического изолятора (транзистора) – материала, внутренняя часть которого изолирована, но которая может поддерживать поток электронов на своей поверхности, передает сайт Phys.
В недавно опубликованной статье Physical Review Applied исследователи из Нью-Йоркского университета представили управляемый напряжением топологический спиновый (вращающийся) переключатель (vTOPSS), для работы которого требуются только наличие электрических полей, вместо токов, чтобы переключаться между двумя логическими состояниями, значительно уменьшая выделяемое тепло и используемую энергию. а не токи. В состав группы входят Шалу Рахеджа, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Школе инженерии Тандона при Нью-Йоркском университете, и Эндрю Д. Кент, профессор физики Нью-Йоркского университета и директор Центра квантовых явлений Университета, вместе с Майклом Э. Флатте, профессором в Университете Айовы.
Рахеджа использует простую аналогию, чтобы более просто объяснить влияние переключения между двумя состояниями. «Представьте, что вы готовите блюдо и нужно идти в другую комнату в то время, когда вам нужен новый ингредиент, прежде чем вернуться на кухню, чтобы добавить его», – говорит она. «Это столь же неэффективно, когда части вычислительного оборудования, необходимые для выполнения вычислений, и части, необходимые для его хранения, плохо интегрированы».
Хотя гетероструктурные устройства, разработанные учеными, состоят из магнитного изолятора и топологического изолятора, они все еще немного медленнее, чем кремниевые транзисторы. Тем не менее, vTOPSS расширяет функциональные возможности микросхем на их основе и потенциал проектирования электронных схем, поскольку он имеет уже встроенную логику и энергонезависимую память. «В конечном счете, это вопрос пользовательского опыта и дополнительных функций», – говорит Рахеджа.
Поскольку vTOPPS уменьшит зависимость от облачной памяти, он также может повысить безопасность вычислений, поскольку хакерам будет сложнее получить доступ к аппаратному обеспечению системы. Следующие шаги будут включать дальнейшую оптимизацию на уровне материалов и дизайна для улучшения скорости переключения, а также разработку прототипов.
Напомним, что впервые о топологических переключателях (транзисторах) заговорили (в форме предположений их поведения и структуры) в 1985 году советские ученые Б.А. Волков и О.А. Панкратов. Далее идею подхватил весь научный мир и сегодня, по сути, практически готова замена части кремниевых полупроводниковых компонентов, которые используются в микро и нано-вычислительной технике.
