Магнітна пам'ять і логіка дозволять досягти найвищої енергетичної ефективності

Будущіе комп'ютери можуть бути обладнані магнітними мікропроцесорами, які споживають саме маленьке кількість енергії, яке тільки можливо згідно із законами фізики. До такого висновку прийшли інженери з електротехніки після проведеного аналізу.
Современние кремнієві мікропроцесори працюють на основі електричних струмів або рухаються електронів, які генерують велику кількість непотрібної теплоти. Але мікропроцесори на основі нанометрових стрижневих магнітів (схожі на магніти на холодильнику) - для пам'яті, логіки та операцій перемикання, теоретично взагалі не зажадають рухаються електронів.
Такіе чіпи будуть споживати всього 18 міліелектрон-вольт енергії на операцію при кімнатній температурі, що є абсолютним мінімумом, який тільки можливий згідно з другим законом термодинаміки. Цей мінімум називається межею Ландауера і це в 1 мільйон разів менше енергії, ніж споживають сучасні комп'ютери для вчинення аналогічних операцій.
Пятьдесят років тому, Рольф Ландауер за допомогою тільки що з'явилася тоді інформаційної теорії, обчислив мінімальну кількість енергії, який буде потрібно на виконання таких операцій як AND та OR, з урахуванням обмежень, які накладає другий закон термодинаміки. У стандартному логічному вентилі два вхідних значення і одне вихідна; операція AND дає вихідне значення тільки в тому випадку, якщо обидва входять значення позитивні, а операція OR дає вихідний сигнал, якщо хоча б один з вхідних сигналів позитивний. Згідно з цим законом, на такі незворотні процеси, як логічні операції або стирання біта інформації, витрачається енергія, яку неможливо відновити. Іншими словами, ентропію закритої системи неможливо зменшити.
Значеніе цієї межі поки залишається недосяжним для сучасних транзисторів і мікропроцесорів, адже левова частка витрат енергії припадає на генерацію тепла, яке виникає внаслідок електричного опору струму рухаються електронів. Дослідники намагаються створити комп'ютери, принцип роботи яких базується не на рухаються електронах, завдяки чому вони зможуть наблизитися до межі Ландауера. Брайан Лембсон з Каліфорнійського університету в Берклі, вирішив теоретично і експериментально перевірити енергоефективність простий магнітної пам'яті і магнітної логічної схеми.
В ході серії обчислень і комп'ютерних симуляцій, Лембсон продемонстрував, що на такі прості операції з пам'яттю, як стирання магнітного біта або виконання логічних операцій, витрачається кількість енергії, дуже близьке до межі Ландауера.
Поскольку межа Ландауера пропорційний температурі, охолоджена схема працюватиме ще ефективніше.
Данная робота проводилася за підтримки Національного наукового фонду (США) і Західного інституту наноэлектроники.

Оригинал (на англ. мовою): Newscenter

• Эпоха экзафлопсных суперкомпьютеров наступила — что это значит и на что они способны?
• Частое использование ChatGPT связано с одиночеством и эмоциональной зависимостью
• Стартап по натрий-железным батареям готов бросить вызов литий-ионным батареям для долгосрочного хранения энергии
• ABB разрабатывает высокоманевренный и высокоэффективный морской винт
• Изменения симметрии в крошечных кристаллах под воздействием света позволяют исследователям создавать материалы с заданными свойствами
• Солнечная пленка, которую можно наклеить где угодно для генерации энергии
• Двойно магичное ядро свинца-208 удивляет неожиданными свойствами формы
• Как мозг строит сложные карты для навигации и запоминания мира