M3BOLT: транзистор на магнитных и звуковых волнах может изменить будущее компьютеров

Современная компьютерная техника почти полностью построена на транзисторах (и это для многих не секрет). Именно транзисторы отвечают за переключение логических состояний и обработку информации в процессорах (и ЦП), памяти и других цифровых микросборках. МИКРО — это замечтательно! однако, дальнейшее уменьшение габаритов (объемов) транзисторов постоянно сталкивается с фундаментальными физическими ограничениями.

 

Исследователи из Мичиганского университета и Университета Висконсин-Мэдисон предлагают пробовать в подходах микро-конструирования другой путь. Так в рамках проекта M3BOLT ученые разрабатывают вычислительный элемент, в котором информация передается не только за счет движения электронов (ну, как в традиционной CMOS-логике), а с помощью связанных магнитных и звуковых волн.

Данный нешуточный проект поддерживает «ни кто иное» как американское агентство перспективных оборонных исследовательских проектов DARPA. На разработку выделено финансирование до 6 млн долларов в рамках программы Fast & Curious.

 

 

 

 

 

Главная идея заключается в том, чтобы полностью (или частично) изменить сам физический принцип работы вычислительного элемента. Если задумка окажется успешной, подобная технология потенциально сможет сделать вычисления значительно быстрее и экономичнее.

 

 

 

Почему обычным транзисторам становится все сложнее

 

 

 

Производители микросхем десятилетиями увеличивали производительность «логических вычислений» прежде всего за счет уменьшения размеров транзисторов, исходя из того факта, что чем меньше элементы, тем больше их можно разместить на одном кристалле. Кроме того, сокращается расстояние, которое должны проходить электроны, а значит, уменьшаются потери энергии.

Однако на нанометровом уровне возникают серьезные ограничения!

 

Когда транзистор становится очень маленьким, электроны начинают проявлять квантовые свойства. В частности, появляется квантовое туннелирование — электроны могут проходить через барьер даже тогда, когда транзистор должен находиться в выключенном состоянии.

В результате возникает так называемый ток утечки.

 

…и сие означает, что даже выключенный элемент начинает расходовать энергию. На уровне огромного количества транзисторов такие потери превращаются в серьезную проблему и дополнительно увеличивают тепловыделение. Вот в чём вопрос… и решение…

 

По оценке исследователей, современные транзисторные технологии могут приблизиться к своим фундаментальным ограничениям по энергоэффективности примерно к 2037 году — что не так уж и много во времени истории.

При этом потребность в вычислительной мощности продолжает расти из-за искусственного интеллекта, обработки данных и распространения автономных устройств.

 

 

 

что такое M3BOLT

 

 

 

M3BOLT — это от Multiferroic Magnetoelectric Magnetoacoustic Beyond-Charge Logic via Tunable Transmission. Название, как видите, достаточно заковыристое, а поэтому желательно пояснить сам принцип идеи как-то проще.

 

Обычный транзистор управляет током и использует движение электронов для переключения логических состояний ВКЛ / ОТКЛ. M3BOLT же предлагает передавать и обрабатывать информацию через магнитные и акустические колебания в специальной многослойной структуре.

 

При этом говорить, что устройство вообще не использует электричество, было бы в корне неверно. Потому как электрическое поле безусловно необходимо для управления состоянием материала(ов).

 

Однако же — главным отличием представляется то, каким способом внутри устройства распространяется и кодируется цифровая информация.

 

 

 

 

из чего состоит новый элемент

 

 

 

В основе экспериментальной конструкции находятся два основных материала.

 

 

• Первый слой — специальный ферроэлектрический кристалл PMN-PT (полное название или определения которого — свинцово-магниево-ниобатно-титанат);
• а сверху же всего этого располагается тонкая пленка магнитного сплава железа и галлия — FeGa.

 

Такое сочетание относится к классу материалов, которые позволяют связывать электрические, механические и магнитные свойства. Именно это взаимодействие и является ключом к работе M3BOLT.

 

 

 

как электрическое поле превращается в магнитное движение

 

 

 

Представим конструкцию максимально упрощенно.

 

 

• Кристалл PMN-PT реагирует на электрическое поле: его внутреннее состояние и положение атомов изменяются.
• эти изменения передаются в расположенную сверху пленку железо-галлиевого сплава.
• в результате магнитные моменты в пленке начинают совершать согласованные колебания. Возникает распространяющаяся магнитная волна — имя ей: магнон.

 

 

В итоге получается своеобразная цепочка:

 

 

 

 

Именно в этом звене M3BOLT по сути отличается от привычного транзистора. В обычной электронике информация в значительной степени связана с движением электронов, а здесь исследователи пытаются использовать динамику магнитного состояния материала.

 

 

 

что такое магнон простыми словами

 

 

 

Магнон можно представить как квант коллективного возбуждения магнитной системы. Именно в магнитном материале множество магнитных моментов взаимодействуют друг с другом. Если их состояние начинает изменяться согласованно, это возмущение может распространяться по материалу в форме волны.

 

Это чем-то напоминает распространение обычной волны, но физическая природа у магнона другая.

 

 

В связи с M3BOLT важно иметь в виду тот факт — что такие магнитные волны распространяются с очень небольшими потерями энергии. Кроме того, исследователи рассматривают возможность работы на терагерцовых частотах, что значительно выше типичных гигагерцевых частот современных потребительских процессоров.

 

 

где здесь звуковая волна?

 

Главнейшие особенности M3BOLT заключаются в том, что исследователи работают не только с магнитными возбуждениями. Изменение состояния магнитных моментов может остановить магнитную волну, после чего в системе остается акустическое возбуждение — то есть механическая, или звуковая, волна — 2 состояния, проще говоря.

 

По замыслу разработчиков, разные состояния такого устройства могут использоваться для представления нуля и единицы — это нынче логика цифровой электорники.

 

 

 

 

как M3BOLT может кодировать 0 и 1

 

Упрощенно работу можно представить следующим образом:

 

 

• Состояние 1 — в структуре поддерживается магнитное возбуждение, распространяющееся в виде магнона.
• Состояние 0 — магнитное возбуждение подавляется, и система переходит к акустическому состоянию.

 

 

Это пока не означает, что готовые компьютеры уже можно строить по такой схеме. Исследователям предстоит проверить, насколько надежно такие состояния можно создавать, переключать, передавать и считывать.

 

 

 

 

 

почему такие волны могут быть выгоднее электронного тока, вот вопрос?

 

 

 

Одно из главных преимуществ идеи связано с, по мнению многих, колоссальными потерями энергии. При движении электронов в обычной полупроводниковой среде часть энергии неизбежно превращается в тепло — бессмысленно. К тому же — напоминаю, в очень маленьких транзисторах к этому добавляются токи утечки.

 

Магнитные возбуждения в соответственных материалах потенциально позволяют передавать информацию данных с меньшими потерями.

 

Исследователи M3BOLT рассчитывают, что сам принцип устройства может обеспечить существенный выигрыш в энергоэффективности. По их оценке, вычисления потенциально могут стать в 100–1000 раз или даже более энергоэффективными, а производительность повышается в разы!..

 

 

 

 

 

откуда может взяться ускорение в 100–1000 раз

 

 

 

Одна из причин (и немаловажная!) — возможность работы с очень высокими частотами. Исследователи указывают, что магнитные волны в используемой системе потенциально способны работать на ТЕРАгерцовых частотах. Для сравнения, современные потребительские процессоры работают в диапазоне нескольких ГИГАгерц.

Но сравнивать выгоды только лишь от более высоких частот было бы неправильно.

 

Производительность процессора зависит не только от частоты переключения, но и от архитектуры, количества вычислительных элементов, задержек передачи данных, памяти, системы ввода-вывода и множества других факторов.

 

 

 

 

 

M3BOLT может объединить вычисления и память

 

 

 

У проекта есть и еще одна интересная особенность.

Магнитное состояние материала может сохраняться даже после отключения питания. Это открывает возможность использовать тот же физический элемент не только для логических операций, но и для хранения информации! или как вспомогательный вариант сохранения и хранения информации.

 

…идея вычислений в памяти, когда данные не приходится постоянно передавать между отдельными блоками процессора и памяти.

 

Сегодня именно перемещение данных между вычислительными блоками и памятью может становиться значительным источником задержек и энергозатрат.

 

Если M3BOLT действительно позволит объединить часть вычислений и хранения данных, это может дать дополнительный выигрыш в энергоэффективности и уменьшить необходимость постоянного обмена информацией между отдельными компонентами.

 

 

 

почему проект финансирует DARPA

 

 

 

DARPA заинтересована в технологиях, способных обеспечить вычислительную мощность при существенно меньшем энергопотреблении. Это ведь в особенности важнейший момент для автономных, мобильных и удаленных систем, где невозможно (или затруднительно) постоянно использовать мощные источники питания.

 

В перспективе подобный подход может быть интересен для таких приборов и механик:

 

 

 

• автономных устройств;
• робототехники;
• систем искусственного интеллекта (ИИ);
• военной электроники;
• мобильных вычислительных платформ;
• энергоэффективных серверов;
• высокопроизводительных вычислительных систем.

 

 

 

 

кто работает над M3BOLT

 

 

 

Проект объединяет специалистов из двух американских университетов.

 

 

• Команда Мичиганского университета занимается проектированием самого устройства и логических схем.
• Исследователи Университета Висконсин-Мэдисон участвуют в моделировании физических процессов, включая влияние дефектов материалов и особенностей границ между слоями (сопромат). Такие расчеты должны помочь понять, как характеристики материала и конструкции будут влиять на работу будущего устройства.

 

 

 

 

 

заменит ли M3BOLT обычные процессоры?

 

 

 

Пока делать такой вывод слишком рано и опрометчево.

Даже если отдельный экспериментальный элемент покажет впечатляющие характеристики, между лабораторным устройством и полноценным процессором лежит огромная дистанция.

 

Исследователям и конструкторам предстоит решить целый ряд сущих задач:

 

 

 

• создать надежные логические схемы;
• обеспечить стабильное переключение состояний;
• разработать способы считывания информации (здесь же — уменьшить влияние дефектов материалов);
• соединить большое количество элементов;
• обеспечить производство таких структур в больших масштабах;
• проверить долговечность и решить вопросы охлаждения и интеграции с другими компонентами.

 

 

Кроме того, современная полупроводниковая промышленность имеет огромную инфраструктуру вокруг CMOS-технологий. Исходя из этого — новая физическая основа «передачи информации» должна показать не просто высокую скорость отдельного взятого экспериментального элемента, а убедительное преимущество всей ВКУПЕ вычислительной системы.

 

 

 

когда появятся такие компьютеры?

 

 

 

M3BOLT находится на ранней стадии исследований. Сейчас речь идет не о готовом процессоре, который можно установить в компьютер, а о разработке и проверке принципиальных находок и решений.

 

В опубликованных материалах ученые говорят о создании устройств для очень маломощных применений и рассматривают более мощные вычислительные системы как перспективу…

…появление массовых компьютеров на основе M3BOLT в ближайшие годы ожидать не стоит. Потребуются эксперименты, прототипы и последующая работа над технологией производства, многие обновления и пр. пр.

 

 

 

чем M3BOLT отличается от обычного транзистора

 

 

 

Упрощенно различия можно представить так:

 

Обычный транзистор	M3BOLT
Основной принцип связан с управлением током	Используются магнитные и акустические возбуждения
Информация кодируется электрическими состояниями	Рассматриваются магнитные и акустические состояния
Уменьшение размеров усиливает проблемы утечек	Предлагается изменить сам физический принцип вычислений
Энергия частично теряется при движении электронов	Цель — снизить потери при передаче информации
Память и вычисления обычно разделены	Возможна интеграция памяти и вычислений

 

Это упрощенная схема.

M3BOLT не является устройством, в котором электричество полностью исчезает: электрическое поле используется для управления материалом и формирования нужных состояний в средах транзиторов.

 

 

 

главный потенциал новой технологии

 

 

 

Самое интересное в M3BOLT заключается не просто в обещании более быстрых вычислений. Исследователи пытаются отказаться от предположения, что логика обязательно должна строиться вокруг традиционного движения электронов.

 

Вместо этого предлагается использовать свойства материалов и взаимодействие между:

 

 

Если подобная система окажется масштабируемой, она потенциально сможет одновременно решить несколько проблем: уменьшить энергопотребление, повысить скорость обработки данных и приблизить вычислительные элементы к памяти.

 

Но пока это именно научно-технологическая гипотеза, которую предстоит подтвердить экспериментально.

 

 

 

как итог нашему исследовательскому повествованию: M3BOLT — не «конец кремния», а поиск следующего поколения вычислений

 

История исследований по теме M3BOLT показывает, что развитие процессоров постепенно выходит за рамки банального уменьшения транзисторов.

Когда дальнейшая миниатюризация сталкивается с квантовыми ограничениями, ученым приходится искать новые материалы, архитектуры и физические принципы.

M3BOLT — один из таких экспериментов.

 

Вместо того чтобы бесконечно уменьшать традиционный транзистор, исследователи пытаются создать вычислительный элемент, где информация передается с помощью магнитных и акустических волн.

 

Заявленные 100–1000-кратные преимущества по скорости и энергоэффективности пока остаются целью проекта, а не характеристиками готового продукта. Но если эксперименты подтвердят хотя бы значительную часть расчетных преимуществ, подобный подход может стать одним из направлений развития электроники следующего поколения.

 

 

 

Telegram вопрос/ответ подпишись... Для тебя самое важное и полезное по теме IT технологий и новостей мира!

 

 

 

 

...А мне остаётся только раскланяться... и пожелать полезной работы в сети