Ученые-физики из Калифорнийского университета в Риверсайде (University
of California, Riverside) совершили важный прорыв в разработке так называемого «спинового компьютера», который объединяет в себе логические элементы и энергонезависимую память. Благодаря новой технологии будущие компьютеры смогут избавиться от обязательной загрузки системы перед началом работы. Если выключить питание в таком «спиновом» компьютере, то он полностью сохранит текущее состояние до следующего включения. При этом «спиновый» компьютер окажется в том же состоянии, в котором вы его оставили на момент отключения питания.
Как надеются авторы изобретения, первые серийные устройства
с комбинированной логикой и памятью на основе графена могут появиться уже в ближайшие 5 лет. Мобильные телефоны, компьютеры и другие электронные устройства смогут оставаться включенными постоянно. Суть изобретения группы из трех студентов-дипломников под руководством адъюнкт-профессора фитзики и астрономии Роланда Каваками (Roland Kawakami)
состоит в том, что ученым удалось внедрить электроны с заданным спином в слой графена, который сам по себе является изолятором. Напомним, спин – это
собственный момент импульса, сугубо квантовая характеристика частицы, не
имеющая отношения к положению частицы в пространстве.
Свободный электрон, помещенный в слой графена, может
храниться там неограниченное время, сохраняя информацию. Каждый конкретный спин представляет собой отдельный бит информации. Мало того, ученые обещают возможность «понижения» и «повышения» спина, что, во-первых, позволяет проводить логические операции с электронами-битами, и, во-вторых, еще больше увеличивает плотность информации за счет того, что электроны-биты могут быть не только двоичными, но и большей размерности за счет разных значений спина.
Графен в последнее время привлекает все более пристальное
внимание ученых. Совсем недавно за открытие этого самого тонкого (толщина – всего 1 атом углерода) и самого прочного материала ученым из России была вручена Нобелевская премия по физике. С открытием механизма хранения и изменения информации в слое графена на свободных электронах с управляемым спином графен может стать отличным материалом для космической электроники и других невероятных применений. Дело в том, что графен устойчив к радиации и сохраняет свои рабочие свойства даже при 200°C.
Несмотря на поистине волшебные свойства графена как материала, новизна открытия ученых из Риверсайда заключается не только в этом. В частности, новая технология Каваками и его коллег обещает
устранить такое узкое место в современной общепринятой архитектуре компьютеров, известное под названием «Бутылочное горлышко фон Неймана». Дело в том, что для операций с числами в обычном компьютере процессор должен сначала извлечь число из памяти, обработать, а затем вернуть результаты обратно в память. При всех этих манипуляциях данные постоянно циркулируют между процессором и памятью через общую системную шину. Графеновая архитектура Каваками лишена этого недостатка – хранение и обработка данных выполняются в одних и тех же ячейках.
Чтобы освободить электроны для размещения их в слое графена,
группа Каваками использовала полупроводниковый лазер - освобожденным электронам можно придавать нужный спин. Передавать заданный спин в слой графена ученые хотят с помощью ферромагнитной головки, используя явление под названием квантовое туннелирование. Первые эксперименты показали, что прямая передача спина оказалась неэффективной, поэтому пришлось поместить между головкой и графеном еще один тонкий слой изолятора, который выполняет функции туннельного перехода. После создания нанометрового туннельного перехода в виде дополнительного слоя изолятора эффективность записи данных путем передачи заданного спина на
освобожденные электроны в слое графена выросла в тридцать раз.
Несмотря на многообещающие результаты, графеновым
компьютерам все еще далеко до серийного производства. Нынешние методы работы с графеном как носителем памяти и логических элементов, требует
серьезных затрат энергии – гораздо больше, чем у привычных микросхем памяти DRAM или SRAM. В то же время, у графена есть все шансы стать основой компьютеров будущего также, как кремний является основой современных компьютеров с архитектурой фон Неймана.
Подробнее об открытии группы профессора Каваками и о
перспективах графеновых компьютеров можно прочитать в обзоре на сайте ComputerWorld.
|
