Магнитная память и логика позволят достичь наивысшей энергетической эффективности

Будущие компьютеры могут быть оборудованы магнитными микропроцессорами, которые потребляют самое маленькое количество энергии, какое только возможно согласно законам физики. К такому выводу пришли инженеры по электротехнике после проведенного анализа.
Современные кремниевые микропроцессоры работают на основе электрических токов или двигающихся электронов, которые генерируют большое количество ненужной теплоты. Но микропроцессоры на основе нанометровых стержневых магнитов (похожие на магниты на холодильнике) - для памяти, логики и операций переключения, теоретически вообще не потребуют двигающихся электронов.
Такие чипы будут потреблять всего 18 милиэлектрон-вольт энергии на операцию при комнатной температуре, что является абсолютным минимумом, который только возможен согласно второму закону термодинамики. Этот минимум называется пределом Ландауэра и это в 1 миллион раз меньше энергии, чем потребляют современные компьютеры для совершения аналогичных операций.
Пятьдесят лет назад, Рольф Ландауэр с помощью только появившейся тогда информационной теории, вычислил минимальное количество энергии, которое потребуется на выполнение таких операций как AND и OR, с учетом ограничений, которые накладывает второй закон термодинамики. В стандартном логическом вентиле два входящих значения и одно выходное; операция AND дает выходное значение только в том случае, если оба входящих значения положительны, а операция OR дает выходной сигнал, если хотя бы один из входящих сигналов положителен. Согласно этому закону, на такие необратимые процессы, как логические операции или стирание бита информации, затрачивается энергия, которую невозможно восстановить. Другими словами, энтропию закрытой системы невозможно уменьшить.
Значение этого предела пока остается недостижимым для современных транзисторов и микропроцессоров, ведь львиная доля затрат энергии приходится на генерацию тепла, которое возникает вследствие электрического сопротивления тока двигающихся электронов. Исследователи пытаются создать компьютеры, принцип работы которых базируется не на двигающихся электронах, благодаря чему они смогут приблизиться к пределу Ландауэра. Брайан Лэмбсон из Калифорнийского университета в Беркли, решил теоретически и экспериментально проверить энергоэффективность простой магнитной памяти и магнитной логической схемы.
В ходе серии вычислений и компьютерных симуляций, Лэмбсон продемонстрировал, что на такие простые операции с памятью, как стирание магнитного бита или выполнение логических операций, затрачивается количество энергии, очень близкое к пределу Ландауэра.
Поскольку предел Ландауэра пропорционален температуре, охлажденная схема будет работать еще эффективней.
Данная работа проводилась при поддержке Национального научного фонда (США) и Западного института наноэлектроники.

Оригинал (на англ. языке): Newscenter

• Грибы как компьютерные чипы: учёные создают «живую память» из шиитаке
• Учёные создали трёхслойное микрофлюидное устройство для сверхэффективного охлаждения электроники
• Обычный кристалл оказался идеальным материалом для технологий на сверхнизких температурах
• Учёные научились превращать снимки атомно-силового микроскопа в точные 3D-модели движений белков
• Учёные создали уникальный гидрогель для «неклонируемых» меток безопасности
• Роботы нового поколения: в Caltech создали систему, которая может ходить, ездить и летать
• Учёные создали 3D-печатные материалы, которые полностью гасят вибрации
• Квантовые кристаллы: как учёные из Оберна открыли путь к новой технологической революции