Black Baron

Традиционные транзисторы, по оценкам специалистов, примерно к 2037 году упрутся в предел энергетической эффективности. При этом спрос на вычислительную мощность продолжит расти. Американские исследователи предложили альтернативу — устройство, которое работает не на движении электронов, а на магнитных и звуковых волнах. По их расчётам, такой подход способен повысить скорость и энергоэффективность в 100–1000 раз.

Почему нужны новые принципы

Сегодня рост эффективности в основном достигается за счёт уменьшения размеров транзисторов и более плотной компоновки. Чем короче путь электронов, тем меньше энергии теряется в виде тепла. Однако при размерах в несколько нанометров проявляется квантовое туннелирование: электроны «просачиваются» сквозь барьеры даже в выключенном состоянии, и потери энергии растут.

Команда из Мичиганского университета и Университета Висконсина решила изменить саму физику устройства. Они разработали M3BOLT — транзистор, в котором информацию переносят не электроны, а магнитные и акустические волны.

Как устроен M3BOLT

Устройство состоит из нескольких слоёв. Основа — кристалл PMN-PT (сегнетоэлектрик на основе ниобата-магния-свинца и титаната свинца). Поверх него нанесена плёнка из магнитного сплава железа и галлия.

Сегнетоэлектрик имеет естественную ориентацию заряженных элементов. Под действием электрического поля эта ориентация меняется и сохраняется даже после отключения поля. Смещение атомов в PMN-PT вызывает волнообразные колебания магнитных полюсов в железо-галлиевом слое — так называемые магноны.

Магноны распространяются с минимальным сопротивлением, поэтому потери энергии в виде тепла значительно ниже, чем в обычных материалах. Кроме того, они могут работать на терагерцевых частотах — теоретически это открывает путь к обработке данных в сотни раз быстрее, чем в современных процессорах, работающих на гигагерцах.

Логика и память в одном материале

Магноны можно остановить, изменив ориентацию магнитных полюсов. Тогда колебания прекращаются, и волны превращаются в обычные звуковые. Два состояния — наличие или отсутствие магнитных волн — могут выполнять роль логических «единиц» и «нулей».

Поскольку ориентация магнитных полюсов сохраняется после отключения питания, тот же материал можно использовать и как память. Это потенциально экономит и энергию, и площадь на кристалле.

Руководитель разработки Вэй Лу отмечает, что сейчас команда создаёт устройства для приложений со сверхнизким энергопотреблением. В перспективе, по его словам, на таких принципах можно будет строить суперкомпьютеры, которым не понадобятся огромные энергозатраты современных дата-центров.

M3BOLT — экспериментальная альтернатива классическому транзистору, основанная на магнитно-акустических волнах вместо переноса заряда. Технология находится на ранней стадии, и до практических процессоров ещё далеко. Тем не менее сам подход показывает, в каком направлении может развиваться электроника после исчерпания потенциала кремниевых транзисторов.

Если исследования подтвердят заявленную эффективность, подобные устройства способны заметно изменить требования к энергопотреблению и производительности будущих вычислительных систем.