Revolutionerer computerhukommelsen - med magneter

Når elektronikens energieffektivitet udgør en udfordring, magnetiske materialer kan have en løsning.

Energieffektivitet vil skabe eller ødelægge fremtiden. Da efterspørgslen efter energi fra elektronik fortsat vokser, Semiconductor Research Corporation advarer om, at der inden for to årtier det globale beregningsmæssige behov for energi vil være større end den samlede producerede mængde. Vincent Sokalski, en adjunkt i materialevidenskab og teknik ved Carnegie Mellon University, arbejder på en løsning på dette problem-ved hjælp af magnetiske materialer til energieffektiv hukommelse og computing.

Sokalski modtog for nylig et tilskud på 1,8 millioner dollar fra Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) til sit projekt, "Domæne-vægskyrmions:Topologiske excitationer begrænset til 1-D-kanaler." Sammen med CMU -professorer Marc De Graef (MSE) og Di Xiao (fysik), Sokalski vil undersøge nye måder til effektivt at behandle og opbevare information med magnetiske materialer.

Selvom magnetiske materialer allerede bruges i dagens harddiske til langtidsopbevaring, halvledere bruges i øjeblikket til korttidshukommelse og behandling, det er her, det meste af energien forbruges. Imidlertid, som halvledere krymper for at imødekomme forbrugernes forventninger til hastighed og tæthed, der kommer en grænse for, hvor små de kan laves uden at risikere tab af information. DARPA anerkender denne udfordring, og forskningsprojekter finansieret af DARPA's "Topological Excitations in Electronics" programcenter om at finde måder at bruge "topologisk beskyttelse" til at forbedre magnetiske materialer, der kan bruges til computerhukommelse eller processorer.

Forestil dig en skål med en lille kugle, der ruller indeni. Når du ryster det, bolden bevæger sig op og ned af skålens vægge, opholder sig inde. Imidlertid, hvis du gjorde dette med en mindre skål, bolden kan til sidst falde ud. Tilsvarende når en halvleder udsættes for varme, det er i fare for at miste information. Jo mindre du fremstiller halvledere, jo større risiko er der for datatab.

"Den grundlæggende fysik bag det er ikke noget, vi let kan ændre, "forklarer Sokalski, "men vi kan se på helt andre materielle systemer og mekanismer, hvor vi bevæger os rundt om magnetiske træk, og brug af disse magnetiske funktioner til at ændre modstanden på en computerenhed. Men for at gøre det, vi har virkelig brug for at udforske og opdage nye materialer, der kan tjene dette formål. "

Indtast magnetiske materialer. Ved at forbedre magnetiske materialer, Sokalski håber på en dag at finde nye materialer, der kan forstærke, eller endda udskifte, halvledere i computing.

Sokalskis projekt begynder med magnetiske skyer, eller 2-D magnetiske bobler. Hvis den bruges i computerens hukommelse, hver boble ville gemme en enkelt bit data.

"Skyrmions er en genfødsel af ideen om boblehukommelse", der blev bredt undersøgt i 1970'erne og 80'erne, siger Sokalski. "Bortset fra nu er boblerne meget mindre, mere stabil, og har topologisk beskyttelse, så vi kan flytte dem rundt med større energieffektivitet, end vi nogensinde kunne have flyttet dem for omkring 40 eller 50 år siden. "

I magnetiske materialer, tænk på hver elektron som en lille stangmagnet med en nord- og sydpol, der alle peger i samme retning. Disse kaldes spins. Sokalski er interesseret i, hvordan man skaber topologiske defekter i linjer af disse spins.

For at forstå vigtigheden af ​​topologisk beskyttelse, du skal først forstå topologiske defekter. Forestil dig at stable en ostebakke sammen med en ven. En af jer starter på højre side af bakken, stak hvert stykke ost oven på det næste, og den anden starter på venstre side. Til sidst, du møder i midten, og dine skiver ost vil kollidere, frem for at justere i samme vinkel. Det punkt, hvor de kolliderer, er essensen af ​​en topologisk defekt.

For at slette en topologisk defekt, du bliver nødt til at vende hver "skive ost" på den ene side af defekten. I magnetisme, hvis halvdelen af ​​dine spins i en kæde peger indad til venstre, og alle de andre peger den modsatte retning, du får en defekt i midten. For at få defekten til at forsvinde, du skulle vende hvert spin på den ene side, flytte den væk til kanten af ​​kæden.

I magnetisme, disse topologiske defekter er meget værdifulde. Hvis du har en topologisk defekt, det betyder, at dine data er topologisk beskyttede, fordi hvis bare et spin spontant vender for at pege i den modsatte retning, defekten skifter bare, frem for at gå væk.

Hvorfor dukker dette emne pludselig op inden for forskning i magnetiske materialer? Al magnetisme er baseret på noget, der kaldes Heisenberg -børsen, en kvantemekanisk effekt, der får elektronspins til at justere i en parallel orientering. Imidlertid, opdagelsen af ​​et nyt fænomen kaldet Dzyaloshinskii-Moriya Interaction (DMI) fører til en vinkelret justering af nabospins. Kombinationen af ​​Heisenberg Exchange og DMI, det er hvad Sokalski studerer, giver anledning til en ny form for magnetisme, der får elektronspins til at have en kontinuerlig spiralformet konfiguration.

"Det viser sig, at funktioner i magnetiske materialer, der er stabiliseret af denne nye interaktion, faktisk kan manipuleres med bedre effektivitet end i tilfælde, hvor det kun er Heisenberg -børsen, ”siger Sokalski.

At have større kontrol over skyrmions og topologiske defekter ville betyde mere pålidelig datalagring og energieffektivitet i computing.

"DARPA søger at omgå den afventende udfordring med energieffektiv elektronik, "siger Sokalski, "og det skalerer fra de mest fundamentale fysiske begreber om spin til design af computere, der har en helt anden kredsløbsarkitektur. Vores forskning vil føre til energieffektiv computing, der opfylder behovene hos kunstig intelligens og små computere, samtidig med at de reducerer deres globale energifodaftryk. "

MSE Ph.D. studerende Maxwell Li og Derek Lau og fysik postdoktorforsker Ran Cheng er samarbejdspartnere om dette projekt, foruden Co-PI'er Tim Mewes og Claudia Mewes ved University of Alabama.