Vaihtoehto transistoreille

Uusi rakenneratkaisu – jota tutkijat kutsuvat M3 BOLTiksi – voisi ylittää nykyisten tietokoneiden teoreettiset energiatehokkuusrajat.

”Transistori on kiistatta nykyaikaisen aikakauden merkittävin piirikomponentti, joten tavoitteena ei ole väittää, että korvaamme sen kaikkialla. Mutta suuret edistysaskeleet alkavat usein kyseenalaistamalla lähes näkymätöntä oletusta”, sanoo apulaisprofessori Roozbeh Tabrizian, joka johtaa M3 BOLT -rakenteen suunnittelua.

”Mitkä ovat laskennan nopeuden ja tehokkuuden perustavanlaatuiset rajoitukset, kun emme ole sidottuja mihinkään yksittäisen piiritekniikan fysiikkaan? Tutkimme, mikä on mahdollista vaihtoehdon avulla”, Tabrizian sanoi.

Muuttamalla perusteellisesti tietokoneiden taustalla olevaa fysiikkaa tutkijat toivovat voivansa integroida myös edistyneempää laskentaa etäkäyttöisiin ja kannettaviin järjestelmiin.

”Kyky hyödyntää ja käsitellä informaatiota voisi skaalautua valtavasti”, sanoi projektin päätutkija John Heron. ”Autonomiset tai mobiililaitteet voisivat kantaa parempia prosessoreita ilman valtavia virtalähteitä.”

Magneettisten ja ääniaaltojen käyttäminen bitteinä

Tutkijat toivovat parantavansa sirujen tehokkuutta käyttämällä John Heronin laboratoriossa kehitettyä kahden materiaalin kerrostettua järjestelmää. Pohjamateriaali on kide nimeltä lyijymagnesiumniobaatti-lyijytitanaatti, lyhennettynä PMN-PT. Päällä on magneettinen rauta-galliumseoskalvo.

PMN-PT on ferroelektrinen – sen varautuneet elementit osoittavat luonnostaan tiettyyn suuntaan. Sähkökentän sisällä varauksen suunta voi kääntyä, ja se pysyy lukittuna paikoilleen, vaikka sähkökenttä olisi pois päältä.

PMN-PT-atomien siirtyminen sähkökentän kytkennän aikana aiheuttaa rauta-galliumseoksen magneettisten napojen heilumisen aaltomaisessa kuviossa, jota kutsutaan magnoniksi. Magneettiset aallot liikkuvat rauta-galliumkalvon läpi hyvin pienellä resistanssilla, joten energiaa menetetään lämpönä vähemmän kuin perinteisissä materiaaleissa. Ja koska ne voivat liikkua terahertsitaajuuksilla, ne voisivat mahdollistaa tietokoneiden datan käsittelyn satoja kertoja nopeammin kuin nykyiset kuluttajille tarkoitetut gigahertsiprosessorit.

Magneettiset aallot voidaan pysäyttää kääntämällä magneettisten napojen suuntaa rautagalliumissa. Tällöin navat eivät enää heilu ja aallot muuttuvat yksinkertaisiksi ääniaalloiksi. Nämä kaksi tilaa, magneettisten tai ei-magneettisten aaltojen kanssa, voisivat toimia 1- ja 0-tiloina perinteisten transistoreiden kahden jännitetason sijaan.

Magneettinapojen suunta säilyy myös rauta-galliumkalvossa, kun piirirakenne on sammutettu, jolloin sama materiaali voi toimia myös laskentamuistina. Kun materiaalit voivat samanaikaisesti käsitellä muistia ja laskentaa, tietokoneen eri osien välillä ei tarvitse siirtää niin paljon dataa, mikä säästää energiaa ja tilaa.

Aiheesta aiemmin:

Analoginen suljetun silmukan muistilaskenta

Laskentaa muistissa sähkökemiallisilla rakenteilla

Fononit ja magnonit kaveraavat