Цифровой вихрь в наноточке: новый способ хранения данных без перегрева
NewsMakerФизики переосмысливают компьютерную память с помощью вортионов.
Специалисты Автономного университета Барселоны создали принципиально новый тип компьютерной памяти . В её основе лежит необычное явление - магнитно-ионный вихрь, получивший название "вортион". Разработка появилась очень вовремя: каждые сутки человечество производит 2,5 квинтиллиона байт информации, и вопрос её эффективного хранения становится всё острее.
Сегодня для записи данных применяют особые материалы с магнитными свойствами. В них роль битов - нулей и единиц - играют магнитные моменты атомов, которые, словно микроскопические стрелки компаса, указывают в одном из двух возможных направлений. Чтобы изменить или считать эти направления, через материал пропускают электрический ток. Такой подход, к сожалению, приводит к значительному нагреву и потерям энергии.
Учёные давно научились использовать для хранения информации закрученные магнитные структуры - вихри, в которых определённым образом ориентированы магнитные моменты. Но вместо традиционных сплошных плёнок барселонские физики применили иной подход: они создали крошечные круглые элементы - наноточки, диаметр которых меньше толщины волоса. Это позволило точно управлять поведением каждого магнитного момента.
Для изготовления наноточек выбрали сплав железа, кобальта и азота. Изначально этот материал не проявляет заметных магнитных свойств - его атомы почти не реагируют на внешние поля. Однако учёные нашли способ кардинально менять его характеристики.
К основанию наноточки подводится электрод с отрицательным напряжением. Под действием возникающего электрического поля отрицательно заряженные ионы азота начинают покидать материал, переходя в окружающий электролит - проводящую среду. После этого происходит удивительное превращение: оставшиеся атомы железа и кобальта обретают способность выстраивать свои магнитные моменты в строгом порядке под влиянием внешнего поля.
Движение ионов азота подчиняется чёткой закономерности: оно берёт начало у электрода и постепенно распространяется к вершине наноточки. В результате формируется особый слой преобразованного материала, который постепенно увеличивается в толщину, словно растущий кристалл.
По мере роста этого слоя происходит самопроизвольная перестройка магнитных моментов. Они выстраиваются в форме водоворота с центральным ядром. Именно эту уникальную конфигурацию исследователи окрестили "вортионом". Структура позволяет исключительно точно настраивать магнитные характеристики материала при минимальных энергозатратах.
Свойства "вортиона" поддаются тонкой настройке за счёт изменения длительности подачи напряжения. Чем дольше оно действует, тем больше ионов покидает материал, и тем мощнее становится преобразованный слой. В серии экспериментов физики подвергали образцы воздействию магнитных полей разной силы. Как оказалось, даже если немного изменить время воздействия напряжения, магнитные характеристики материала заметно меняются.
В ходе исследований выявили три ключевых параметра, которыми можно управлять: интенсивность намагниченности, время формирования и исчезновения вихря после включения и отключения напряжения, а также устойчивость магнитного состояния к внешним воздействиям. Эксперименты показали беспрецедентную точность контроля над этими характеристиками, причём все изменения оказались обратимыми.
"Переход от токового управления к контролю напряжения избавляет от проблемы перегрева в ноутбуках, серверах и дата-центрах. Таким образом мы можем радикально сократить энергопотери", - объясняет руководитель исследования доктор Ирена Спасоевич.
Меняя время воздействия напряжения, физики научились последовательно переводить материал в разные состояния: сначала из немагнитного в равномерно намагниченное, а затем в вихревое. Но главное достижение в другом - каждое магнитное свойство материала может принимать несколько значений. Например, если точно фиксировать восемь разных уровней намагниченности, одна наноточка сохранит восемь различных значений. Это гораздо больше, чем привычная система с нулями и единицами.
Ещё более заманчивые перспективы эта технология открывает для создания компьютеров нового типа - нейроморфных. В процессе обучения мозг постоянно меняет силу связей между нейронами. "Вортионы", свойства которых легко настраивать, могли бы работать как искусственные синапсы с изменяемой проводимостью. Исследователи уже думают над тем, как встроить такие элементы в нейронные сети, чтобы те работали подобно живому мозгу.
Специалисты Автономного университета Барселоны создали принципиально новый тип компьютерной памяти . В её основе лежит необычное явление - магнитно-ионный вихрь, получивший название "вортион". Разработка появилась очень вовремя: каждые сутки человечество производит 2,5 квинтиллиона байт информации, и вопрос её эффективного хранения становится всё острее.
Сегодня для записи данных применяют особые материалы с магнитными свойствами. В них роль битов - нулей и единиц - играют магнитные моменты атомов, которые, словно микроскопические стрелки компаса, указывают в одном из двух возможных направлений. Чтобы изменить или считать эти направления, через материал пропускают электрический ток. Такой подход, к сожалению, приводит к значительному нагреву и потерям энергии.
Учёные давно научились использовать для хранения информации закрученные магнитные структуры - вихри, в которых определённым образом ориентированы магнитные моменты. Но вместо традиционных сплошных плёнок барселонские физики применили иной подход: они создали крошечные круглые элементы - наноточки, диаметр которых меньше толщины волоса. Это позволило точно управлять поведением каждого магнитного момента.
Для изготовления наноточек выбрали сплав железа, кобальта и азота. Изначально этот материал не проявляет заметных магнитных свойств - его атомы почти не реагируют на внешние поля. Однако учёные нашли способ кардинально менять его характеристики.
К основанию наноточки подводится электрод с отрицательным напряжением. Под действием возникающего электрического поля отрицательно заряженные ионы азота начинают покидать материал, переходя в окружающий электролит - проводящую среду. После этого происходит удивительное превращение: оставшиеся атомы железа и кобальта обретают способность выстраивать свои магнитные моменты в строгом порядке под влиянием внешнего поля.
Движение ионов азота подчиняется чёткой закономерности: оно берёт начало у электрода и постепенно распространяется к вершине наноточки. В результате формируется особый слой преобразованного материала, который постепенно увеличивается в толщину, словно растущий кристалл.
По мере роста этого слоя происходит самопроизвольная перестройка магнитных моментов. Они выстраиваются в форме водоворота с центральным ядром. Именно эту уникальную конфигурацию исследователи окрестили "вортионом". Структура позволяет исключительно точно настраивать магнитные характеристики материала при минимальных энергозатратах.
Свойства "вортиона" поддаются тонкой настройке за счёт изменения длительности подачи напряжения. Чем дольше оно действует, тем больше ионов покидает материал, и тем мощнее становится преобразованный слой. В серии экспериментов физики подвергали образцы воздействию магнитных полей разной силы. Как оказалось, даже если немного изменить время воздействия напряжения, магнитные характеристики материала заметно меняются.
В ходе исследований выявили три ключевых параметра, которыми можно управлять: интенсивность намагниченности, время формирования и исчезновения вихря после включения и отключения напряжения, а также устойчивость магнитного состояния к внешним воздействиям. Эксперименты показали беспрецедентную точность контроля над этими характеристиками, причём все изменения оказались обратимыми.
"Переход от токового управления к контролю напряжения избавляет от проблемы перегрева в ноутбуках, серверах и дата-центрах. Таким образом мы можем радикально сократить энергопотери", - объясняет руководитель исследования доктор Ирена Спасоевич.
Меняя время воздействия напряжения, физики научились последовательно переводить материал в разные состояния: сначала из немагнитного в равномерно намагниченное, а затем в вихревое. Но главное достижение в другом - каждое магнитное свойство материала может принимать несколько значений. Например, если точно фиксировать восемь разных уровней намагниченности, одна наноточка сохранит восемь различных значений. Это гораздо больше, чем привычная система с нулями и единицами.
Ещё более заманчивые перспективы эта технология открывает для создания компьютеров нового типа - нейроморфных. В процессе обучения мозг постоянно меняет силу связей между нейронами. "Вортионы", свойства которых легко настраивать, могли бы работать как искусственные синапсы с изменяемой проводимостью. Исследователи уже думают над тем, как встроить такие элементы в нейронные сети, чтобы те работали подобно живому мозгу.