Одна из целей эпохи информационных технологий — разработка искусственного интеллекта на основе вычислительных устройств. Но для этого требуется особенная элементная база и архитектура компьютеров, способная имитировать работу биологической нейронной сети.

 

Современные суперкомпьютеры, работающие на традиционной архитектуре, обладают недостаточной производительностью. Они не могут эффективно выполнять трудоемкие расчеты и обрабатывать большие объемы данных даже с использованием программных алгоритмов нейронных сетей. Также компьютерам сложно справиться со сложными операциями, как распознавание образов, текста, речи, классификация данных и комплексное прогнозирование и кроме того потребляют много энергии.

Spintronic, спинтроника, наномагнит, спин
Новые технологии требуют объединения в одном кристалле основных функций современной полупроводниковой микроэлектроники и магнитных запоминающих устройств. Использование спинтроники, как комбинации электроники и магнетизма в наномасштабе позволит осуществить развитие электроники со скоростью, превышающей закон Мура, согласно которому вычислительная мощность компьютера примерно удваивается каждые два года, а цена снижается вдвое

 

Электроны имеют две фундаментальные характеристики (DOF), называемые зарядом и спином. В обычных электронных устройствах для обработки информации с использованием двоичных битов 0 и 1 используется только заряд электрона. Постоянное развитие традиционной электроники в основном зависит от уменьшения размера компонентов (транзисторов, конденсаторов и т. д.), встроенных в интегральные схемы (память с произвольным доступом, микропроцессор и др.).

 

 

Проблема заключается в том, что в ближайшие десять-пятнадцать лет кремниевые процессоры достигнут предела своих возможностей. Поэтому уже сейчас ученые ищут новые физические принципы, на которых будут построены быстродействующие устройства с низким энергопотреблением и тепловыделением.

 

Фактический размер транзистора, помещенного в коммерческий микропроцессор, составляет около 50 нм с длиной затвора 20 нм и узлом 7 нм. Прогресс в электронных устройствах завершится, когда размер узла транзистора достигнет 1 нм. Ниже этого размера процессы изготовления, записи и чтения будут затруднены или невозможны из-за квантового размерного эффекта.

 

Одна из перспективных областей применения наноэлектронных устройств следующего поколения – спинтроника. Она позволяет снизить энергопотребление и увеличить память и возможности обработки. Такие устройства используют спиновые степени свободы электронов и / или дырок, которые также могут взаимодействовать со своими орбитальными моментами. В этих устройствах спиновая поляризация контролируется либо магнитными слоями, используемыми в качестве спин-поляризаторов или анализаторов, либо посредством спин-орбитальной связи.

Spintronic, спинтроника, наномагнит, спин
В последние двадцать лет исследователей сильно заинтересовала область на стыке физики полупроводников, электроники и квантовой механики — спинтроника. Эта область науки изучает, как можно управлять спином носителей заряда в полупроводниковых структурах. Потенциально спинтронные устройства позволяют значительно увеличить скорость передачи информации и плотность ее записи на носители.
 
 
 

Отличие спинотроники от традиционной электроники заключается в том, что если обычная оперирует электрическими зарядами, то электроника нового поколения использует спины электронов. Спин электрона (собственный момент импульса) − это внутренняя характеристика электрона, имеющая квантовую природу и не зависящая от движения электрона.

 

Spintronic, спинтроника, наномагнит, спин, спин-поляризованный ток
Принципиальная схема основных методов генерации спин-поляризованного тока.

 

В спинтронных устройствах вычислительные процессы и хранение информации осуществляются по физическим принципам, которые отличаются от традиционной электроники. Согласно принципу Паули, спин электрона на одной и той же орбитали атома может находиться в одном из двух состояний: со спином «вверх» либо со спином «вниз». Спин «вверх» — состояние частицы, в которой ориентация спина имеет одинаковое направление с осью квантования магнитного материала. Спин «вниз» — состояние частицы, в котором спиновый вектор направлен противоположно данной оси. Таким образом, электрон может выступать как природный передатчик двоичной информации. Магнитное поле, или поток свободных электронов, переносящий собственный магнитный момент, меняет поляризацию спинов электронов на внутренних оболочках атомов материала. Так происходит запись отдельных битов информации в магнитном состоянии структуры (1 — большинство электронов со спином «вверх», 0 — большинство электронов со спином «вниз»).

 

Spintronic, спинтроника, наномагнит, спин
В спинтронных нейроморфных устройствах предполагается оригинальная организация электронных компонентов при которой процессор и память находятся в одном блоке. Их функциональность выполняет одно и то же спинтронное устройство — искусственный нейрон, что существенно ускоряет процедуру вычислений. В то же время передачу данных между нейронами можно организовать посредством спинтронных структур

 

Такому типу записи данных не нужно внешнее питание, поэтому концепция привлекательна для развития твердотельной памяти нового поколения. С прогрессом в области спинтроники появляются новые типы запоминающих и логических устройств: энергонезависимая оперативная память (STT-MRAM), нейроморфные системы и спиновые транзисторы. Они энергонезависимы и работают быстрее традиционных полупроводниковых аналогов. Благодаря возможности масштабирования спинтронных структур размер приборов на их основе может радикально уменьшиться. Так в запоминающий чип размером менее сантиметра можно поместить информацию объемом с библиотечный архив.

 

 

В спинтронных устройствах переворот спина практически не требует затрат энергии, а в промежутках между операциями устройство отключается от источника питания. Если изменить направление спина, то кинетическая энергия электрона не изменится. Это означает, что тепла почти не выделяется.

 

Специалисты выделяют три главных направления развития спинтроники: квантовый компьютер, спиновый полевой транзистор и спиновая память.

Spintronic, спинтроника, наномагнит, спин
Устройства Spintronic могут предложить более высокую энергоэффективность и меньшее рассеивание по сравнению с обычной электроникой, которая полагается на токи заряда.

 

По словам ученых из IBM, электроны очень быстро меняют спины – на переключение тратится около 100 пикосекунд (1 пикосекунда – одна триллионная доля секунды). И в этом заключается основная проблема – 100 пикосекунд недостаточно, чтобы микросхемы успели зафиксировать изменение состояния в системе.

 

Переход от традиционной электроники к технологии спинтроники открывает возможности для создания устройств с высокой плотностью памяти, низким энергопотреблением и  лучшим быстродействием и при этом,  более дешевых и надежных.

 

Таким образом, масштабирование спинтронных элементов позволит создать нейроморфную архитектуру, имитирующую биологическую нейронную сеть. Она будет обучаться, распознавать изображения, писать тексты и воспроизводить речь

спинтроника, наномагнит, спин, энергонезависимая память, Fe3GeTe2
Схематическое изображение прототипа энергонезависимой памяти на основе Fe3GeTe2. Fe3GeTe2 - это ферромагнетик, спины которого (маленькие белые стрелки) ориентированы в одном направлении. Ориентация спинов определяет 1 или 0 двоичных разрядов. а) Исходное состояние, в котором записана информация 0. б) Для записи новой информации применяется небольшой ток (оранжевая стрелка), который меняет материал с жесткого магнита на мягкий магнит, так что сохраненную информацию можно легко изменить (скажем, от 0 до 1). c) После отключения тока материал снова превращается в жесткий магнит, и информация 1, записанная на этапе b), может сохраняться в течение длительного времени без какого-либо внешнего источника питания, что делает его энергонезависимой памятью. Кредит: POSTECH & SNU

 

Базельский университет, факультет физики, спинтроника, наномагнит, спин
Исследователи из Базельского университета в сотрудничестве с коллегами из Пизы разработали новую концепцию, в которой спин электрона используется для переключения электрического тока. Обе квантовые точки (пунктирные эллипсы) на нанопроволоке настраиваются наномагнитами (коричневые столбики) таким образом, что они пропускают только электроны со спином «вверх». Если ориентация одного из магнитов изменяется, ток подавляется. Предоставлено: Базельский университет, факультет физики.

 

Купите Постеры для дома, офиса, бара на сайте «Наука и техика» в подарок себе и близким. Новогодний недорогой сюрприз шефу, друзьям, клиентам и сотрудникам. 

В наличии Плакаты бронетехники, набор постеров стрелкового оружия, боевой техники. Если вы неравнодушны к авиации, то вас, наверняка, заинтересуют постеры с боевыми, транспортными или пассажирскими самолетами.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!