Cercetătorii japonezi au dezvoltat un dispozitiv de memorie spintronică acționat cu laser, cu o viteză de 1.000 de ori mai mare decât DRAM

Adaugă-ne ca sursă preferată în Google

Urmărește-ne in Discover

O echipă de cercetători de la Universitatea din Tokyo a dezvoltat un dispozitiv numit element de comutare cuantică nevolatilă, care crește viteza de procesare a informațiilor de 1.000 de ori fără a genera căldură suplimentară.

Această componentă reprezintă biții folosind proprietățile magnetice ale electronilor, mai degrabă decât fluxul de electricitate în sine.

În experimentele de laborator, dispozitivul a procesat un bit de informație în doar 40 de picosecunde, ceea ce reprezintă o miime din timpul necesar metodelor convenționale, relatează Tom’sHardware. Tehnologia existentă are nevoie de aproximativ o nanosecundă pentru a înregistra un singur bit înainte ca supraîncălzirea să devină o problemă critică.

Dispozitiv care mărește viteza cipului de 1.000 de ori fără a genera căldură suplimentară

Cercetătorii din Tokyo au realizat un mecanism de comutare radical diferit prin intermediul unui domeniu cunoscut sub numele de spintronică. În loc să stocheze informații sub formă de sarcină electrică, dispozitivele spintronice stochează informații folosind stări magnetice.

Cercetătorii au construit dispozitivul folosind un material antiferomagnetic din mangan-staniu (Mn₃Sn), apoi au demonstrat că impulsurile electrice ultrascurte pot comuta în mod fiabil starea sa magnetică, păstrând informațiile stocate după întreruperea alimentării.

Noul dispozitiv constă din combinația de tantal și mangan-staniu care lucrează împreună pentru a converti semnalele electrice în informații magnetice.

Un semnal electric trece prin stratul de tantal, iar sistemul înregistrează acel semnal în mangan-staniu ca direcție a unei forțe magnetice minuscule. Această direcție înregistrată reprezintă un singur bit, fără a se baza pe fluxul continuu de curent electric.

Elementul a funcționat stabil chiar și după procesarea informațiilor de peste 100 de miliarde de ori în cadrul unor teste de laborator controlate.

De asemenea, cercetătorii au demonstrat o comutare similară folosind impulsuri de fotocurent ultra-rapide generate de un laser, convertind efectiv semnalele optice direct în impulsuri electrice de scriere în memorie.

Comutarea stărilor fizice, fundamentul computerelor moderne

La nivel fundamental, calculul modern este știința comutării stărilor fizice. Fiecare operațiune din interiorul unui computer — fie că este vorba de rularea unui joc, navigarea pe internet sau încărcarea unui fișier din spațiul de stocare — implică miliarde sau trilioane de mici schimbări de stare fizică. Tranzistoarele se activează și se dezactivează, celulele de memorie se încarcă și se descarcă electric, datele se deplasează prin interconectări, iar celulele de stocare captează sau eliberează electroni.

Aceste evenimente de comutare reprezintă fizic informația binară. Problema este că comutarea stărilor necesită energie, iar aproape toată această energie se transformă în cele din urmă în căldură. Această realitate devine din ce în ce mai problematică în era IA. Acceleratoarele moderne de IA procesează volume enorme de date. Pe măsură ce clusterele de GPU se extind la sute de mii de acceleratoare, alimentarea cu energie și răcirea devin unele dintre cele mai mari blocaje ale industriei.

Tehnologia memoriilor actuale

Toate tehnologiile actuale de memorie gestionează comutarea în mod diferit, dar fiecare vine cu compromisuri majore. DRAM, memoria principală de sistem utilizată în PC-uri, stochează informații sub formă de sarcină electrică în interiorul unor condensatoare minuscule. Un condensator încărcat reprezintă o stare, în timp ce unul descărcat reprezintă alta. Acești condensatori pierd constant sarcina electrică, ceea ce înseamnă că sistemul trebuie să reîmprospăteze repetat celulele de memorie de mii de ori pe secundă doar pentru a păstra datele. Această comutare constantă consumă o cantitate semnificativă de energie și generează căldură, chiar și atunci când sistemele sunt relativ inactive.

Te-ar putea interesa și: Un start-up a prezentat prima placă de circuite integrate fluide din lume care se poate reconfigura singură în mai puțin de un minut

Memoria flash utilizată în SSD-uri evită această problemă prin captarea electronilor în structuri care rețin datele fără alimentare continuă. Pe de altă parte, schimbarea acestor stări este mai lentă și consumă mai multă energie, ceea ce face ca memoria flash să fie nepotrivită pentru memoria de lucru de mare viteză.

SRAM, utilizată în cache-urile CPU, realizează o comutare extrem de rapidă folosind circuite de feedback cu tranzistori care mențin continuu starea. Dar SRAM consumă o suprafață semnificativă de cip și energie, ceea ce o face costisitoare și dificil de scalat la capacități mari.

Problemele dezvoltării unei memorii mult mai performante

Provocarea pentru dezvoltarea unei memorii mult mai performante devine și mai dificilă la scări de timp ultra-rapide, unde multe tehnologii experimentale de comutare se bazează parțial pe încălzirea forțată pentru a destabiliza și a inversa rapid stările.

Cu cât comutarea este mai rapidă, cu atât problema termică devine adesea mai gravă. Mai multe abordări de comutare la scară de picosecunde demonstrate anterior, citate în articol, implică creșteri de temperatură de câteva sute de grade Kelvin în timpul funcționării.

Echipa de cercetare a descoperit că performanța acestor elemente de comutare cuantică se îmbunătățește pe măsură ce componentele devin fizic mai mici, astfel încât, dacă această tehnologie poate fi pusă cu succes în practică, ar putea reduce consumul de energie pentru procesarea informațiilor la doar o sutime din nivelurile actuale.

Mai simplu spus, un centru de date mare, precum unul al Google, care consumă în prezent suficientă energie electrică pentru a alimenta 80.000 de locuințe, ar putea funcționa într-o zi cu energia a doar 800 de locuințe.

În mod similar, un laptop care trebuie încărcat în fiecare zi ar putea funcționa timp de trei luni cu o singură încărcare.

În prezent, aproape toată energia electrică consumată de hardware-ul de calcul se transformă în cele din urmă în căldură. Infrastructura modernă de IA se confruntă deja cu limite serioase de alimentare și răcire, pe măsură ce clusterele de GPU se extind la sute de mii de acceleratoare.

Un aspect crucial este că, în acest experiment, mecanismul de comutare nu se bazează în primul rând pe încălzirea materialului. În schimb, impulsurile generează un proces care transferă informația în structura magnetică, fără a necesita vârfuri extreme de temperatură.

Această distincție este afirmația centrală a studiului. Cercetarea nu se referă doar la crearea unui nou tip de memorie, ci la găsirea unei modalități mai eficiente din punct de vedere energetic de a comuta stările digitale în sine.

Modalități noi de a transfera informații

Demonstrația de comutare optică s-ar putea dovedi importantă și pentru viitoarele arhitecturi ale centrelor de date. Cercetătorii au generat impulsuri de fotocurent de 60 de picosecunde folosind un laser.

Acest lucru s-ar putea alinia în cele din urmă cu eforturile mai ample ale industriei către interconectări optice și fotonică pe siliciu, unde hiperscalerii caută din ce în ce mai mult modalități de a transfera informații folosind lumina, mai degrabă decât semnalizarea electrică convențională.

Dacă tehnologii de acest gen vor deveni vreodată viabile din punct de vedere comercial, ele ar putea, teoretic, să diminueze cerințele de răcire, să reducă consumul de energie în repaus și, potențial, să estompeze distincția dintre memorie și stocare. Pentru infrastructura de IA la scară largă, implicațiile s-ar concentra mai mult pe eficiența energetică și reducerea răcirii în cadrul clusterelor masive de GPU.

Deocamdată, însă, tehnologia rămâne strict experimentală. Dispozitivele actuale sunt structuri de laborator minuscule, mai degrabă decât cipuri de memorie care pot fi fabricate.
Transformarea acestei descoperiri de laborator într-un cip care poate fi fabricat reprezintă o provocare inginerească complet diferită.

Cipul prototip este programat pentru 2030, ceea ce înseamnă că disponibilitatea comercială va veni probabil cu ani mai târziu.