Tulevikuarvutite magnetilised mikroprotsessorid tarbivad Kalifornia Berkeley ülikooli analüütikute sõnul füüsikaliselt vähimat võimalikku energiat ja saavutavad maksimaalse efektiivsuse.
Kaasaegsete ränipõhiste mikroprotsessorite kiibid töötavad elektrivoolul, mida põhjustab liikuvate elektronide voog. Elektritakistuse tõttu eraldub aga protsessoritelt soojust. Nanomeetri mõõtkavas magnetdipoolidel põhinevatel mikroprotsessoritel seevastu voolutarve puudub.
Magnet-kontrast piltidel (magnetic contrast image) paistavad heledana nanomagnetid, mille põhjapoolus on suunatud alla.Tumedate piirkondadedipoolide põhjapoolus on suunatud üles. Alumisel skemaatilisel joonisel on alla suunatud põhjapooluse värviks punane, üles suunatud poolus aga sinine. Nähtavad kuus dipooli moodustavad enamus-transistorlülituse (majority logic gate transistor). Transistori tööoleku määrab ülemise, vasaku ja parema sisendi olek. Horisontaalsed naabermagnetid on enamasti vastupidise suunaga, vertikaalsed aga enamasti samasuunalised.
Uuenduslikud magnetmälu-kiibid kiirgaksid vaid 18 millielektronvoldi suurusjärgus energiat ümbritseva keskkonna temperatuuri iga kraadi kohta, mis on ühtlasi vähim termodünaamika teise seaduse (loe lähemalt siit) ja Landaueri piiri (loe lähemalt siit) järgi lubatav suurus
“Keskmine koduarvuti tarbib andmetöötluseks elektronide voost lähtuvat elektrit. Magnetmäludel põhinev arvuti seevastu tugineb väga tihedalt paigutatud üksteisega interakteeruvatel magnetdipoolidel (loe lähemalt siit). Õige seadistuse korral on võimalik dipoolidega arvutusi teha,” ütleb Berkeley teadlane Brian Lambson.
“Põhimõtteliselt on võimalik valmistada arvuteid, mis töötavad täpselt Landaueri piiril. Isegi kui oleksime piirist ühe suurusjärgu kaugusel oleks tegemist väga suure energiatarbe vähenemisega,” lisab Berkeley E3S (Center for Energy Efficient Electronics Science) juhitv nn. magnetarvutite teadlane Jeffrey Bokor. E3S üks eesmärke ongi Landaueri piiril töötavate arvutite arendamine.
Viiskümmend aastat tagasi kasutas Rolf Landauer (loe lähemalt siit) toona värsket informatsiooniteooriat postuleerimaks, et mikroprotsessoritega loogikalülituste tegemine põhjustab lõpliku suurusega energia eraldumise. Landaueri väidete aluseks on termodünaamika teine seadus, mille kohaselt mittepöörduv protsess, näiteks loogilline lülitus või andmebiti kustutamine, eraldab pöördumatult mingi hulga energiat. Energia eraldumisega kasvab ühtlasi süsteemi entroopia. Kaasaegsete transistoride ja mikroprotsessorite energiakaod on nimetatud piirväärtusest oluliselt suuremad. Seetõttu üritavad asjast huvitatud teadlased arendada arvuteid, mille mälusüsteemidel puuduks elektritakistus ja soojuskaod.
Bokori ja Lambsoni välja töötatud nanomagnetid on ligi 100 nm (nanomeeter) laiad ja 200 nm pikad. Olemuselt on nanomagnetid magnetilised dipoolid, mille üles- või allapidi joondunud olek on binaarse 1 – 0 loogikaga hõlpsasti kirjeldatav. Nanomagnetite üksteisele lähendamine põhjustab nende põhja- ja lõunapooluste interaktsiooni, võimaldades sooritada transistorlülitustele võrdväärseid toiminguid.
Tulevikuarvuti mikroprotsessor, mis kasutab andmetöötluseks nanomagneteid. Põhja- ja lõunapooluste vastastikmõju tõttu on võimalik magnetitega sooritada loogilisi lülitusi.
Lambson näitas arvutuste teel, et ühe magnetbiti kustutamine on võimalik sooritada Landaueri piirile lähedase või koguni sellele võrdse energiakuluga.
Esimene edukas magnetmomentidega nanoosakesi kasutav katse viidi läbi Notre Dame ülikoolis 2006. aastal. Valminud kolme sisendiga loogikalülitus kasutas 16 paardunud nanomagnetit. Lambson näitas, et ka seda katset saaks sooritada vähima energiakulu piiril.
Landaueri seadus on võrdeline temperatuuriga, mistõttu on madalatemperatuursed vooluahelad veelgi säästlikumad.
Katsejärgus olevate mäluseadmete magnetmomentide joondamiseks kasutatakse energiakulukaid elektromagnetväljasid. Ideaalis ei tarbi magnetmälu oleku muutmiseks üldse elektrienergiat. Voolu tarbiks vaid kiipidevaheline andmeside.
“Praegune uurimissuund keskendub magnetloogika lülitamisele välise elektromagnetväljata, mida on raske efektiivselt teha. Võimalik lahendus on näiteks multiferroidsete!? materjalide kasutamine, mille magnetilisi omadusi võib tulevikus saada juhtida pinge abil,” lausub Bokor.
Lahenduseni jõudmisel on veel teisigi takistusi. Voolutarbimise vähenemisega kaasneb seadme müratundlikkus temperatuuri kõikumistele, välistele elektromagnetväljadele ja teistele segajatele.
“Probleemide kiuste üritame muuta meie tehnoloogia kiireks ja usaldusväärseks,” lõpetab Bokor.
Allikas: PhysOrg