Використання спін-хвиль замість електричного струму може значно прискорити і зробити більш ефективними процесори майбутнього
Всім відомо, що при інтенсивній роботі ваш ноутбук, планшет або смартфон стають теплими, а в деяких місцях і просто гарячими. Виділяється тепло є побічним продуктом роботи мікропроцесора і інших електронних компонентів, через які протікає електричний струм, який приводить в дію всі пристрій, і, фактично, це тепло є даремно витраченої дефіцитної енергією, якої в акумуляторних батареях зберігається не так вже й багато. Команда дослідників з Школи технічних і прикладних наук Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі провела ряд досліджень нового типу магнітних матеріалів, званих мультиферроиками (multiferroics), незвичайні властивості яких допоможуть зробити мікропроцесори майбутніх комп'ютерів ще більш швидкими і більш енергозберігаючими, ніж сучасні мікропроцесори.
У чіпах сучасних електронних пристроїв електричний струм проходить через транзистори, які, по суті, є крихітними електронними вимикачами. У включеному стані ці вимикачі можуть проводить через себе потік електронів, але в будь-якому випадку структура транзистора має електричний опір, що зумовлює виділення деякої кількості паразитного тепла. І чим більше транзисторів упаковується на кристалі чіпів, тим більша кількість тепла виділяється на цьому чіпі.
Команда вчених використовувала матеріали-мультиферроики для реалізації технології зменшення кількості енергії, потрібної для роботи логічних ключів і інших пристроїв, які є основою всіх схем чіпів, здатних виробляти обчислення. Мультиферроики можуть переходити під включене й у вимкнений стан за допомогою керуючого впливу електричним потенціалом певної полярності. А енергія, що виникає в мультиферроиках, переміщається за рахунок передачі обертання електронів, перенесення спина або спін-хвиль іншими словами.
Процес поширення спін-хвилі можна розглядати як процес поширення хвиль на поверхні води, коли всі молекули води залишаються фактично на одному місці, а енергія хвилі переноситься за рахунок вертикальних переміщень маси води хвилі. Це процес абсолютно протилежний процесу течії електричного струму в провіднику, який за аналогією можна розглядати як потік води, що тече всередині труби.
"Спін-хвилі відкривають зовсім нові способи переміщення інформації та реалізації логічних обчислень. З їх допомогою досить просто можна вирішити деякі із завдань, які є важкими при вирішенні за допомогою традиційної напівпровідникової техніки. Крім цього, використання спін-хвиль відмінно вписується в концепцію щодо нової області - спінтроніки, де носієм інформації виступає не потік електронів, а їх напрямок обертання навколо ядра атома" - розповідає професор Канг Л. Ван (Kang L. Wang), директор Західного інституту наноелектроніки і науковий керівник даного проекту.
Створені дослідниками досвідчені зразки спін-хвильових логічних пристроїв на основі мультиферроиков продемонстрували зниження кількості тепла, що виділяється в 1000 разів у порівнянні з аналогічними напівпровідниковими елементами. "Чисто електричний контроль магнетизму матеріалу, який практично не потребує наявності електричного струму демонструє величезний потенціал для створення нових високошвидкісних пристроїв зберігання і обробки даних, які зможуть демонструвати продуктивність, порівнянну з продуктивністю сучасних процесорів, працюючи при цьому від єдиної батарейки протягом тижнів або місяців часу" - розповідає Педрэм Хэлили, дослідник з Каліфорнійського університету, який брав участь в даних дослідженнях.