Kombination af magnetisk datalagring og logik

Computere gemmer og behandler normalt data i separate moduler. Men nu har forskere ved ETH Zürich og Paul Scherrer -instituttet udviklet en metode, der gør det muligt at udføre logiske operationer direkte i et hukommelseselement.

Enhver, der nogensinde ved et uheld har trukket stikket ud af en stationær computer, husker det smertefulde øjeblik, da de indså, at enhver ikke -gemt information var tabt for evigt. Det er fordi computere skelner klart mellem opgaverne ved beregning og datalagring. Uanset hvilke data computeren i øjeblikket bruger, gemmes i hovedhukommelsen, som-ligesom computerens CPU-er afhængig af strømstyrede transistorer. Det betyder, at hovedhukommelsen er "flygtig":så snart strømmen forsvinder, det gør dataene også. Software, billeder, videoer og andre data, der kræver langtidsopbevaring, gemmes i ikke-flygtig hukommelse, f.eks. flashhukommelse eller et magnetisk diskdrev, hvorfra de kan indlæses i hovedhukommelsen efter behov.

Under ledelse af Pietro Gambardella og Laura Heyderman, et team af forskere fra ETH Zürich og Paul Scherrer Institute (PSI) håber nu at revolutionere dette årtier gamle princip. Deres mål er at bygge en hurtig, ikke-flygtigt hukommelsessystem, der også kan udføre logiske operationer på dataene, såsom IKKE, ELLER og OG. De nåede for nylig en vigtig milepæl på den rejse, som blev beskrevet i en artikel i det videnskabelige tidsskrift Natur .

Hurtig racerbanehukommelse

Forskere har arbejdet på udviklingen af ​​magnetisk racerbanehukommelse i en årrække. Denne nye type hukommelse er meget hurtigere end traditionelle harddiskdrev, hvor et læse-/skrivehoved skal flyttes til et bestemt område af diskoverfladen ved mekaniske midler. I modsætning, racerbanens hukommelseselementer fungerer ved at bruge strømimpulser til at flytte små magnetiske områder, eller domæner, op og ned nanotråde, der kun er et par hundrede nanometer tykke. På disse domæner, alle magnetiske øjeblikke - som bittesmå kompassnåle forbundet med materialets atomer - er orienteret i samme retning og kan dermed bruges til at repræsentere de binære tilstande 0 og 1. Ved at eliminere behovet for den mekaniske bevægelse af et læse-/skrivehoved, racerbanens hukommelse giver meget hurtigere adgangstider end traditionelle harddiske. Alligevel, selv data, der er gemt på denne måde, ville normalt skulle indlæses i hovedhukommelsen for at blive behandlet.

"Det, vi har formået at gøre nu, er at udføre logiske operationer direkte inden for denne form for hukommelseselement, "siger Zhaochu Luo, postdoc -forskeren, der drev projektet videre. Computere bruger logiske operationer til at behandle data. For eksempel, den logiske operator IKKE inverterer lidt, skifter dens værdi fra 0 til 1 eller omvendt. Normalt udføres denne operation i hovedhukommelsen, med dataene læst fra og omskrevet til den magnetiske harddisk, men ikke direkte behandlet der.

En nysgerrig interaktion

"Vores metode fungerer anderledes, "siger Pietro Gambardella." Vi bruger en elektrisk strøm til at vende polariteten i de magnetiske områder, derved udfører en IKKE operation på de lagrede data. Vi gør dette ved at udnytte en temmelig ejendommelig udvekslingsinteraktion, der opstår, når vi deponerer en magnetisk koboltfilm på et platinlag. "Som et resultat af denne interaktion, de magnetiske øjeblikke er hverken parallelle eller antiparallelle med hinanden, som normalt ville være tilfældet. I stedet, på grund af tilstedeværelsen af ​​platinlaget, interaktionen får de magnetiske momenter i tilstødende domæner til at rette sig vinkelret på hinanden. "Det er næsten som om en kompassnål pludselig skulle pege mod øst i stedet for nord, «siger Gambardella.

Denne vinkelrette justering af de magnetiske momenter fører også til en foretrukken følelse af rotation af magnetiseringen mellem det ene domæne og det næste, ligner, hvordan en proptrækker roterer i en bestemt retning. Så hvis en strømpuls nu føres gennem platinlaget, de flydende elektroner ændrer gradvist polariteten af ​​de atomare "kompasnåle" i det magnetiske koboltlag. Dette bevæger informationen, der er kodet i magnetiseringen, og skaber et magnetisk domæne i bevægelse. Derefter, på foruddefinerede steder, hvor den vinkelrette interaktion er stærk, magnetiseringsretningen i det bevægende domæne er omvendt. Dette svarer præcist til en logisk NOT -operation.

Det er muligt at kombinere sådanne operationer i forskellige racerbanens hukommelseselementer, giver dermed andre logiske operationer som AND, ELLER og NAND. Disse kan samles i mere komplekse kredsløb, for eksempel at tilføje to tal sammen (se billede). Men, i modsætning til konventionelle kredsløb baseret på halvledere, hvor hver transistor kræver sin egen strømforsyning, de nye racerbanens hukommelseskredsløb skal kun forsynes med strøm ved ind- og udgang.

Anvendelser i tingenes internet

"I første omgang, Jeg ser vores teknologi primært blive brugt i mikroprocessorer med lav computerkraft, "forklarer Gambardella. Et eksempel, der er særligt relevant i nutidens verden, er tingenes internet, hvor en række forskellige enheder og sensorer kommunikerer direkte med hinanden. Computerne i denne slags enheder skal tilbyde "instant-on" -funktioner-hvilket betyder øjeblikkelig drift uden forsinkelse ved upload af et operativsystem-og lavt energiforbrug. En teknologi, der kombinerer magnetisk hukommelse og logiske operationer, ville være ideel til denne applikation.

I princippet, siger Gambardella, der er ikke noget, der står i vejen for at betjene større computere på samme måde. Men i praksis, han tilstår, det sker usandsynligt snart:"Optimering af materialer og fremstillingsprocesser til dette formål er en meget dyr forretning for chipmakere, så det er for tidligt at sige, om vores teknologi kan erstatte konventionel halvlederteknologi. "Alligevel argumenterer han, denne nye tilgang er bestemt interessant nok til at berettige til yderligere undersøgelse for at opdage, hvor langt den kan tages. Forskerne har allerede ansøgt om patent, så måske ender vi i sidste ende med en computer, der giver os mulighed for at trække stikket uden at bekymre dig om at miste data.