Компьютерный супермозг: от электроники к магнонике

Будущее компьютерных технологий – за магноникой Увеличить картинку Будущее компьютерных технологий – за магноникой (© picture alliance / dpa Themendienst) Немецкие ученые обещают, что скоро аппаратура должна стать еще компактнее и производительнее, а привычный термин "электроника" вытеснится из словаря неологизмом "магноника". Все это станет возможным благодаря разработкам в одноименной, революционной области IT. В технике будущего информационный трафик будет осуществляться с помощью так называемых квазичастиц "магнонов". По ключевым параметрам они оставляют электроны позади: магноны не выделяют тепла, "едят" меньше энергии и малы по размеру. Специалисты мечтают полностью поставить компьютеры будущего на магнонные рельсы. Впрочем, первый немецкий магнонный транзистор уже был представлен на выставке CeBIT-2015. 


Ученые уверены, что звучное слово "магноника" таит в себе потенциал для настоящей IT-революции. Разработки в этой новой области свидетельствуют о том, что магнитные волны годятся для передачи данных ничуть не меньше электронов и сделают компьютеры еще меньше и быстрее. Ведь главная проблема полупроводниковой техники в том, что она нагревается и расходует слишком много энергии. А "лихорадит" нынешние приборы потому, что передача информации в них происходит посредством электронов – собственно, отсюда и название "электроника". Двигаясь, эти крошечные электрически заряженные частицы сталкиваются с атомами и расходуют энергию, выделяющуюся в виде тепла. И чем плотнее "заселен" элементами чип, тем больше он нагревается. Уже сейчас создателям техники ясно, что в ближайшем будущем они натолкнутся на физические границы: еще более компактные полупроводники не получится обрабатывать с достаточной точностью.

Немецкие ученые совместно с иностранными коллегами разработали уникальный концепт, использующий для информационной транспортировки не реальные электроны, а нематериальные электромагнитные волны – магноны. В основе этого явления лежит магнитный феномен в кристаллах, порождаемый так называемым спином – импульсом, заставляющим электроны двигаться вокруг своей оси. "Во многих магнитных материалах оси спинов параллельны. Одна из них, отклоняясь, начинает вращаться юлой и влиять на соседние спины, рождая спиновую волну, которая воспроизводится подобно волне звуковой – через твердое тело", – объясняет один из пионеров магноники, руководитель центра Optimas в Техническом университете Кайзерлаутерна, профессор Буркард Хиллебрандс (Burkard Hillebrands). А поскольку электроны в этом процессе остаются на своем месте, то тепло не вырабатывается. Рождаются магноны в очень тонких кристаллических слоях, – например, в сплавах никеля или иттрия с железом. Сейчас ученые разрабатывают новые материалы, еще больше пригодные для этого.

Кроме того, что магноны обладают меньшим энергетическим "аппетитом" и не выделяют тепла, они и по ряду других параметров дадут фору электронам. Во-первых, для фундаментальных вычислительных операций с их помощью требуется меньше коммутирующих элементов. Во-вторых, магнонные детали не вступают в контакт с внешним миром. И, наконец, их размер может быть удивительно малым. "Мы считаем, что детали у аппаратуры нового поколения будут в пределах десяти нанометров", – заверяет Хиллебрандс. Эксперты уверены, что магноны сделают компьютерный мозг еще быстрее. "Тактовая частота, составляющая у современных полупроводников около трех гигагерц, могла бы возрасти тысячекратно, – прогнозирует сотрудник центра Optimas, украинский ученый Андрей Чумак. – До сих пор это было неосуществимо, потому что чипы нагрелись бы недопустимо сильно".

Прогноз о существовании спиновых волн еще в 1929 году дал Нобелевский лауреат, швейцарец Феликс Блох (Felix Bloch). В 1980-е стало известно, что их можно использовать  в телекоммуникации и радиолокации. Но понимание того, что без спинов как без рук в информационных технологиях, пришло совсем недавно. Магноника так молода, что ее еще нет даже в Википедии. Однако на некоторых немецких университетских кафедрах уже преподают эту область. "В данный момент мы занимаемся фундаментальными исследованиями, до практического применения путь долгий", – говорит Буркард Хиллебрандс. Однако его команде уже удалось сконструировать магнонный транзистор, и в этом году ученые представили его на выставке CeBIT в Ганновере. Следующая цель – разработать другие базовые миниатюрные элементы для переработки данных. "Подобно тому, как первый электронный транзистор когда-то был величиной в сантиметр, а сегодня занимает лишь нанометр, магнонные детали тоже будут мельчать", – пророчит Хиллербрандс.

Поскольку нельзя ожидать молниеносного и полного перевода IT на магнонные рельсы, многие ученые работают над созданием связующих элементов, которые обеспечат переход от магноники к электронике и в обратном направлении. Это позволит производителям компьютеров в будущем применять спиновые волны повсюду, где они окажутся наиболее эффективными, а остальное поначалу возьмет на себя старая добрая полупроводниковая техника.

Арина Попова

20.07.2015

Компьютерный супермозг: от электроники к магнонике

picture alliance / blickwinkelmm-images

Присоединяйтесь к нам

Нобелевская премия за "наноскопию"

Профессор из Гёттингена Штефан Хелль удостоен Нобелевской премии по химии

Шведская королевская академия наук назвала лауреатов Нобелевской премии по химии за 2014 год. Ими стали немец Штефан Хелль и американцы Эрик Бетциг и Уильям Мернер. Почетную награду они получат за создание суперфлуоресцентной микроскопии, которая позволила наблюдать очень малые объекты с высоким разрешением.

Музейная революция: из чучела в 3D

Раньше ни один технический прибор не позволял столь точно передать объем и текстуру предметов

Берлинский музей естествознания взялся за 3D-инвентаризацию. Разработанный немецкими учеными уникальный робот-сканер выдает на-гора цифровые копии приматов, жуков, куниц и динозавров. Впервые в мире эксперты и любители получат свободный интернет-доступ к миллионам экспонатов виртуального архива. А пока ученые тестируют чудо-аппарат на глазах посетителей музея.

Болезнь Альцгеймера: когда подводит память

Повреждения мозга при болезни Альцгеймера видны даже неспециалисту: Слева – мозг здорового человека, а справа – страдающего Альцгеймером

В самом начале болезнь Альцгеймера легко перепутать с обычной забывчивостью – мало ли кто из пожилых людей оставляет непогашенным свет или не помнит день рождение внуков. Но постепенно разрушая нервные клетки мозга, это заболевание отбирает у человека самое дорогое – его разум и память.

Александр Герст: на МКС мне не хватало семьи, пиццы и чистого лесного воздуха

Отдохнуть Александру Герсту удастся нескоро: что ни день – то пресс-конференция или интервью

После 166 дней пребывания на Международной космической станции немецкий астронавт Александр Герст, россиянин Максим Сураев и американец Рид Вайзман благополучно вернулись на Землю. Герст поблагодарил всех за помощь и поддержку, а командир экипажа Сураев похвалил совместную работу: "Каждый мог бы поучиться на примере сплоченности команды МКС".