Optimizuoti impulsai: mažesnė energija magnetinei atminčiai

O kas, jei vieno bito apvertimas atmintyje galėtų būti atliktas švelnesniu stumtelėjimu, o ne grubesniu smūgiu? Edinburgo universiteto tyrėjai sukūrė teorinį sprendimą, kuris tikslingai valdo magnetinio lauko impulsų laiką ir formą, kad magnetizacija apsiverstų sunaudojant gerokai mažiau švaistomos energijos.

Darbas, publikuotas žurnale Pažangios medžiagos, teigia, kad kruopščiai suplanuotos perjungimo trajektorijos gali sumažinti energijos suvartojimą keliais dydžiais, palyginti su šiandieninėmis pagrindinėmis atminties technologijomis, tokiomis kaip DRAM, STT-MRAM ir kylančia SOT-MRAM technologija. Tai ne vien nedidelis patobulinimas. Tai priartina magnetinę atmintį prie Landauer ribos, termodinaminio slenksčio, nustatančio mažiausią energijos kainą vieno bito ištrynimui.

„Kiekviena skaitmeninė operacija turi energetinę kainą, ir ši kaina tampa labiau akivaizdi didėjant DI bei didžiųjų duomenų sistemoms“, teigė dr. Eltonas Santosas, vadovavęs tyrimui Edinburgo kondensuotųjų medžiagų fizikos ir sudėtingų sistemų institute. „Formuojant magnetinio lauko laiko evoliuciją, galima nukreipti magnetizaciją žemų sąnaudų trajektorijomis, o ne prievartauti sistemą į naują būseną.“

Išmanesnis stumtelėjimas magnetizmui

Tradiciški perjungimo metodai remiasi staigiais, didelės intensyvumo impulsais, kurie greitai įveikia energijos barjerus, bet išskiria daug šilumos į įrenginį. Naujoji idėja apsuka scenarijų: naudoti optimizuotas bangos formas, kurios veda magneto orientaciją energiją taupančiomis trajektorijomis. Straipsnyje aprašomos įrenginių geometrijos ir valdymo schemos, skirtos tokiems pritaikytoms laukams generuoti, siūlant eksperimentinėms komandoms gairių, kaip išbandyti teoriją laboratorijoje.

Optimizuoti perjungimai gali sumažinti energijos vienai operacijai poreikį keliais dydžiais, priartindami magnetines atmintis prie fundamentalių termodinaminių ribų.

Svarbu tai, kad požiūrio matematika yra pritaikoma. Nors komanda idėją suformulavo naudojant magnetinio lauko impulsus, ta pati optimizavimo sistema gali būti pritaikyta elektriniams srovėms ir itin greitiems lazerio impulsams, kurie taip pat yra perspektyvios priemonės spintronikoje ir naujos kartos atminties tyrimuose. Inžinieriai galėtų derinti laukus, sroves ir šviesą, kad sukurtų hibridines perjungimo schemas, kurios išnaudoja kiekvieno elemento privalumus.

Pasekmės siekia toliau nei atskiros mikroschemos. Mažesnė perjungimo energija tiesiogiai reiškia vėsesnes, efektyvesnes atminties matricas ir gali sumažinti energijos poreikį duomenų centruose bei DI akceleratoriuose. Kelias nuo teorijos prie praktikos reikalauja tikslaus valdymo aparatūros ir kruopštaus medžiagų inžinerijos, tačiau potenciali nauda didelė: galingesnė saugykla su gerokai mažesniu energijos pėdsaku.

Kiti žingsniai yra eksperimentiniai. Straipsnyje pateikiami patikrinami įrenginių koncepcijos ir valdymo protokolai; dabar laboratorijų komandoms laikas sukurti instrumentus, galinčius formuoti laukus ir impulsus reikiamu tikslumu. Jei šie demonstraciniai bandymai pavyks, magnetinės atmintys gali tapti netikėtai ekologiniu sprendimu, kai skaičiavimai stumdosi prieš fizines ribas.