Требования к вычислительной технике возрастают с каждым днем. Очевидно, что нынешние технологии рано или поздно упрутся в предел своих возможностей. Другими словами, увеличивать производительность полупроводниковых процессоров больше не получится. Поэтому нужны новые технологии, которые обеспечат более высокий уровень производительности, а также низкое энергопотребление, возможность хранения больших объемов информации. На днях одну из таких технологий представила группа ученых из России и Италии. Впервые ученым удалось зафиксировать переход соединения железа между двумя разными спиновыми состояниями. Наличие этих двух состояний и возможность переключаться между ними в нужный момент позволяет передавать логический сигнал. Возможно, в будущем на основе данной технологии будут выполнены накопители и процессоры.

Спинктроника может обеспечить компьютеры будущего новым уровнем производительности

Принципиально новые процессоры взамен полупроводников

В современных полупроводниковых процессорах передача данных и проведение логических операций осуществляется за счет движение электронов. Как утверждают эксперты, возможности этой технологии уже практически исчерпаны. То есть повышать производительность становится все сложнее и сложнее. Поэтому разработка новых технологий сейчас особенно актуальна.

Спинктроника, то есть технология, основанная на переносе данных за счет взаимодействия магнитных моментов, или спинов электронов, по мнению специалистов является весьма перспективной. Само такое свойство, как “спин” (в переводе означает вращение) было обнаружено в 1924 году. Спином называется собственный момент импульса элементарных частиц. Но не будем вдаваться в подробности, так как нас интересует сам факт наличия у молекулы двух состояний, а не принцип, по которому это происходит.

Наличие двух спиновых состояний электрона позволяет использовать это свойство для создания процессоров нового поколения

Как отмечают исследователи, для спинктроники подходят не все материалы. Одно из главных требований, вещество должно обладать способностью намагничиваться. Кроме того, чтобы хранить информацию в двоичном виде, молекулы должны существовать в двух постоянных состояниях. Это же требование необходимо для проведения логических операций. Правда, это касается компьютеров, работающих в двоичной системе. Напомню, что на подходе также квантовые компьютеры, которые работают с кубитами, но это уже другая тема, которую мы раскрывали ранее.

Ученые для исследования взяли полимерную молекулу, которая содержит два иона двухвалентного железа. Каждый из ионов существует в двух состояниях — низкоспиновом и высокоспиновом. Причем они могут переходить из одного состояния в другое независимо друг от друга. То есть один атом может находиться в низкоспиновом состоянии, а другой — в высокоспиновом. Переход от одного состояние в другое осуществляется практически мгновенно, то есть занимает микросекунды.

Спинктроника — перспективы и проблемы создания новых процессоров

Как отмечают авторы исследования, главная сложность технологии заключается в том, что переход из одного состояния в другое сложно обнаружить, так как молекулы симметричны. Чтобы обнаружить переход, исследователи использовали технологию ядерного магнитного резонанса. Он позволяет зафиксировать взаимодействие ядерных магнитных моментов с моментами электронов. Таким образом ученые впервые смогли обнаружить переход с высокоспинового состояния в низкоспиновое, и наоборот. Подробности данного исследования были опубликованы авторами исследования в журнале Angewandte Chemie.

Трехмерное изображение формирования стабильного спинового состояния электрона (спиновой спирали)

Сделанное учеными открытие, возможно, позволит создать устройства для сверхплотного хранения данных, которые значительно превосходят имеющиеся виды носителей по объему данных, которые в них можно хранить. Подобные устройства принято называть молекулярными клеточными автоматами.

Также на основе этой технологии можно создать альтернативу полупроводникам для обработки информации, то есть новые процессоры Основное их отличие от полупроводниковых заключается в том, что сигнал передается не потоком электронов, а путем переключения молекул, выстроенных в цепочку и образующих ячейки. По словам ученых, молекулярные клеточные автоматы будут обладать более низким тепловыделением и энергопотреблением, чем имеющиеся современные решения. Но главное, они будут обладать гораздо более высокой производительностью.

Напоследок отмечу, что ученые предлагают и другие технологии, которые позволят увеличить производительность процессоров. К примеру, замена кремниевых транзисторов на аналоги, выполненные на основе карбоновых нанотрубок, даст тысячекратный прирост производительности, в то же время энергопотребление уменьшится, о чем мы рассказывали ранее.