211service.com
Nowe spojrzenie na komputery
Naukowcy podejmują coraz większe wysiłki, aby znaleźć sposób, aby spintronika, czyli manipulacja spinem elektronów, była praktyczna. Obietnica jest jasna: spintronika może prowadzić do komputerów, które włączają się natychmiast i elektroniki zużywającej znacznie mniej energii baterii, a także przezwyciężyć zbliżające się granice prawa Moore'a. Jednak wyzwania związane z wykorzystaniem spintroniki do operacji logicznych są również zniechęcające. Nie najmniej ważnym z nich jest znalezienie odpowiedniego materiału do budowy praktycznych obwodów. Od kilku lat naukowcy badają półprzewodniki, takie jak arsenek galu, domieszkowane pierwiastkami, takimi jak mangan, w celu nadania im właściwości magnetycznych. Ale te działają tylko w temperaturach poniżej około minus 120 ° C – nie jest to opcja dla zwykłych komputerów.
naukowiec z MIT Jagadeesh Moodera a jego zespół opracował materiał, który działa w temperaturze pokojowej i jest łatwy do stworzenia. Materiałem jest tlenek indu, który jest podobny do materiału używanego do przewodzenia ładunku w ekranie dotykowym bankomatu, z niewielką ilością chromu dodaną, aby był magnetyczny. Inne materiały, które mogą działać, mówi Moodera, to tlenek cynku, szeroko stosowany w ochronie przeciwsłonecznej i tlenek tytanu. Półprzewodnik magnetyczny spolaryzowałby spin elektronów, które następnie wpłynęłyby do chipa krzemowego, gdzie obwody wykorzystywałyby je do wykonywania obliczeń, podczas gdy detektor, prawdopodobnie wykonany z tego samego materiału, co wtryskiwacz spinowy, odczytałby je w miarę ich wypływu.
Materiał wymaga dalszego opracowania, zanim będzie mógł zostać przetestowany w rzeczywistym obwodzie. Ale Don Heiman , profesor fizyki z Northeastern University, nazywa stworzenie półprzewodnika magnetycznego, który działa w temperaturze pokojowej, całkiem dużym przełomem.
Rzeczywiście, mówi Moodera, potrzeba kilku lat pracy, aby zbudować praktyczny chip komputerowy oparty na spintronice. Na przykład nie jest jasne, w jaki sposób krzem i tlenek indu oddziałują w miejscu, w którym się stykają. Bardzo trudno jest kontrolować kształt materiału na tym interfejsie, który ma grubość około dwóch warstw atomowych, i możliwe, że różnice między tymi dwoma materiałami mogą spowodować utratę polaryzacji spinów elektronów. Jak mówi Moodera, potrzeba sporo podstawowych badań, aby zrozumieć, co dzieje się na interfejsie, i więcej pracy, aby nauczyć się go kontrolować. A kiedy zbudują działający wtryskiwacz spinu, naukowcy nadal będą musieli zaprojektować detektor spinu i tranzystor.
Obwody oparte na spinach są intrygujące, ponieważ nadają komputerom nowy wymiar. Podczas gdy obliczenia elektroniczne opierają się na ujemnym ładunku elektronu, szybkie włączanie i wyłączanie prądu, aby jeden s i 0 W świecie cyfrowym spintronika polega na rosnącej zdolności naukowców do manipulowania inną kwantową właściwością mechaniczną elektronu – właściwością znaną jako spin. Jest to ważne dla przemysłu chipów komputerowych, który czeka na czas, kiedy nie będzie w stanie zmniejszać obwodów. Obecne chipy komputerowe wykorzystują tranzystory krzemowe z wpisanymi liniami o grubości poniżej 100 nanometrów. Producenci chipów nadal zmniejszają rozmiar tranzystorów, aby zmieścić ich więcej w chipie, ale gdy osiągną rozmiar kilku nanometrów, zaczną ulatniać się elektrony. Moodera i inni mają nadzieję, że spintronika pozwoli im wykonywać więcej obliczeń przy tej samej liczbie tranzystorów.
W normalnym półprzewodniku spin elektronu jest ułożony losowo; jeden wskazuje w ten sposób, drugi wskazuje tamto. Ale kiedy większość elektronów ma ten sam spin, wynikiem jest pole magnetyczne. Oznacza to, że każdy chip komputerowy, w którym wirowanie jest kontrolowane, może działać jako pamięć nieulotna, ponieważ wirowanie pozostaje takie samo, dopóki nie zadziała zewnętrzna siła, aby go zmienić. Ponieważ pamięć jest nieulotna, co oznacza, że nie wymaga przepływu prądu, aby odświeżać informacje, zużywa znacznie mniej energii elektrycznej, co pozwala na dłuższą żywotność baterii i zmniejsza ryzyko przegrzania. Pozwala to również tranzystorowi na używanie zarówno ładunku, jak i wirowania oraz działanie zarówno jako bramka logiczna, jak i pamięć. Chip komputerowy może wykonywać te same zadania przy mniejszej liczbie obwodów, pozostawiając miejsce na dodanie dodatkowych obwodów bez konieczności zmniejszania urządzeń.
Urządzenia spintroniczne już istnieją; Dyski twarde przechowują znacznie więcej informacji niż dziesięć lat temu, ponieważ firma Moodera i inni opracowali głowice odczytu oparte na spintronice, które mogą wykrywać niewielkie zmiany w magnetyzmie, umożliwiając upakowanie większej ilości i mniejszych porcji danych w tej samej przestrzeni. A jedna firma zaczęła sprzedawać magnetyczną pamięć o dostępie swobodnym, inną technologię opartą na spinach, która nie wymaga przepływu prądu do przechowywania danych.
Jednak aby zastosować spintronikę w obwodach logicznych, naukowcy muszą wymyślić, jak umieścić żądany spin w tranzystorze i jak wykryć go po drugiej stronie, gdy obwód już nim manipuluje. Chcą cienkiej warstwy, którą mogą umieścić na półprzewodniku i w której mogą wykorzystać pole magnetyczne do wyrównania spinu elektronów, zanim przetransportują te wyrównane elektrony do półprzewodnika. Tlenek indu firmy Moodera jest potencjalnym kandydatem na taką folię, gdy w pełni ją zrozumie i będzie w stanie wymyślić, jak ją zoptymalizować.
Moodera nie chce przewidzieć, ile czasu zajmie zbudowanie praktycznego obwodu spintronicznego, chociaż szacuje, że pracują nad nim tysiące naukowców w Stanach Zjednoczonych, Azji i Europie: może to potrwać 10 lat, może być sześć. Trudno powiedzieć. Wskazuje jednak na to, jak spintronika ulepszyła dyski twarde z pojemności kilku megabajtów 15 lat temu, kiedy nikt nawet nie myślał o użyciu spintroniki, do obecnych iPodów, które pozwalają nosić w kieszeni 60-gigabajtowy dysk. Jestem optymistycznym badaczem, mówi.