Spørgsmål og svar:Mod den næste generation af computerenheder

Har du nogensinde bemærket, hvordan vores smartphones og computerenheder bliver hurtigere inden for korte spænd? Det kan du takke Moores lov for. Tilbage i 1965, Intels medstifter Gordon Moore forudsagde, at computerkraften i computere ville blive fordoblet cirka hvert andet år, og utroligt nok har denne empiriske tommelfingerregel holdt ved i over fem årtier.

Imidlertid, moderne computerteknologi når nu sine skaleringsgrænser, muligvis bringe Moores lov til at stoppe op. I mellemtiden, efterspørgslen efter computerkraft fortsætter med at vokse hurtigt – til dels på grund af fremkomsten af ​​kunstig intelligens.

Omgåelse af disse begrænsninger for hukommelse og computerkraft er timens behov, og det kræver, at man ser ud over konventionelle enheder og computerarkitekturer. Se en af ​​kandidaterne:små magnetiske kvasipartikler kaldet skyrmioner, der kan tilbyde en måde at overgå konventionelle behandlingsgrænser.

Fordi informationslagringshukommelsen og computerens beslutningsfunktioner typisk holdes adskilt, at udføre selv de enkleste opgaver kræver energi. Skyrmions, en af ​​de kandidater, der kan kombinere de to funktioner, åbner dørene for hurtigere behandling og beslutningstagning i realtid med reduceret strøm.

Opdaget for over ti år siden, magnetiske skyrmions har vist sig vanskelige at kontrollere. Men ikke længere, takket være en gennembrudsteknik, som Anjan Soumyanarayanan og hans kolleger fra A*STAR's Institute of Materials Research and Engineering (IMRE) var banebrydende for. Gennem deres metode, det lykkedes teamet at finjustere størrelsen, skyrmions tæthed og stabilitet, trækker dem tættere på at realisere energieffektiv databehandling.

For bogstaveligt talt at sætte et nyt spin på skyrmions og udnytte kvantefænomener til nanoelektronik, Soumyanarayanan modtog Young Scientist Award ved præsidentens Science and Technology Awards 2018. Soumyanarayanan, som også er adjunkt ved National University of Singapore og modtager i 2018 af IEEE Magnetics Society Early Career Award, giver os et nærmere kig på skyrmions og den rolle, de kunne spille i næste generations computing.

Fortæl os om det centrale problem, du forsøger at løse med din forskning.

Moores lov, eller den eksponentielle vækst i computerkraft med tiden, er ved at nå sine grænser efter fem årtiers regeringstid som hjørnestenen i moderne elektronik. Et lovende alternativ er at bruge elektronen "spin" i stedet for gebyr til at gemme, behandle, og overføre oplysninger. Spin elektronik, eller spintronics, kan tilbyde enheder med hurtigere behandlingshastigheder og samtidig reducere strømforbruget drastisk.

For sent, min forskningsindsats har fokuseret på magnetiske skyrmions. For nylig opdaget i branchekompatible materialer, skyrmioner er arrangementer i nanoskala af elektronspin, der opfører sig som individuelle magnetiske partikler. De har lovende egenskaber som grundelementer til næste generations computing. Vi udvikler tyndfilmsmaterialer, der er vært for sådanne skyrmions og undersøger deres adfærd i nanoskalaenheder.

Hvad er nogle afgørende resultater inden for dit felt, som du har til hensigt at bygge videre på?

Først, spintronic -enheder kræver evnen til elektrisk at detektere (læse) og manipulere (skrive) spins for at danne 0 og 1 -tilstande - for at repræsentere det binære system, der bruges i konventionel computerkode. Opdaget for tre årtier siden, disse egenskaber blev anerkendt med Nobelprisen i 2007 og bruges kommercielt i moderne harddiske og magnetisk tilfældig adgangshukommelse (MRAM).

For nylig, koblingen mellem elektron-spin og momentum-kendt som spin-orbit-kobling (SOC)-er fremstået som en attraktiv ingrediens i branchekompatible tynde film. På den ene side, SOC muliggør oprettelse af magnetiske skyhyrninger og andre nye fænomener. På den anden side, det giver et hurtigt og energieffektivt middel til elektrisk skrivning.

Endelig, vi håber, at sådanne anordninger kan finde anvendelse til at efterligne neurons biologi, derved realisere hjerneinspireret eller "neuromorf computing. Dette spirende emne ser talrige enhedsforslag for at opnå anerkendelse, mønster-matching og beslutningstagningsevner, der efterligner den menneskelige hjerne.

Hvordan blev du interesseret i at studere magnetiske skyrmions?

Dannelsen af ​​magnetiske skyrmions er afhængig af tre centrale ingredienser:spin-orbit-kobling, magnetisme samt den unikke topologi ved visse materialeoverflader og grænseflader. Disse begreber er centrale for flere nye fænomener opdaget i løbet af de sidste 10 til 15 år. I 2010, disse koncepter var rygraden i et vellykket bevillingsforslag, som jeg skrev sammen med min ph.d. rådgiver til at støtte mit speciale om topologiske materialer. Da han vendte tilbage til Singapore, A*STARs dybe egenskaber inden for magnetiske tynde film gav en naturlig drejning mod skyrmioner. Jeg er glad for, at det kom med udfordringer inden for materialevidenskab og udstyrsteknik - begge har vist sig at være værdifulde læringsmuligheder.

Kan du venligst beskrive et af de mest spændende projekter, du arbejder på lige nu?

Selvom magnetiske skyrmioner viser meget lovende som nanoskala databehandlingselementer, de er ikke de nemmeste at arbejde med. Faktisk, indtil for nylig blev magnetiske skyrmions tidligere kun observeret ved lave temperaturer. Derfor, vores første indsats på dette emne fokuserede mest på at etablere og skræddersy deres stuetemperaturegenskaber i tynde film. For nylig har vi undersøgt deres elektriske adfærd inden for enhedskonfigurationer, der er kompatible med storstilet fremstilling. Til sidst, vi håber at realisere elektrisk detektion, eller læsning, og elektrisk manipulation, eller skrivning af skyrmions i sådanne anordninger. Den sømløse integration af forskellige muligheder – såsom materialeudvikling, enhedsfabrikation og elektrisk karakterisering - påkrævet for at de kan fungere er udfordrende og alligevel spændende.

Hvad er nogle af de industrielle/sociale konsekvenser af din forskning? Hvem vil få gavn af resultaterne?

Vores forskning stemmer overens med en bredere indsats inden for spintronics. Spintronic -teknologier bruges kommercielt i harddiske og magnetisk hukommelse. Fremtidige opdagelser fra spintronisk forskning kan muliggøre nye computerarkitekturer, ud over drift med lav effekt ved ekstremt hurtige hastigheder. Sådanne enheder kan hjælpe os med at opnå energieffektive computerplatforme.

Dette kan potentielt vise sig i datacentre med reduceret strømforbrug. Alternativt de kunne bruges til at udvikle personlige eller kant -computerenheder med AI -muligheder. Til sidst, sådan forskning kan anvendes på forskellige områder, lige fra fremstilling til sundhedspleje og overvågning, da det kan hjælpe med overvågning samt genkendelse af fejl til indgreb.

Hvordan ser du, at dit forskningsområde udvikler sig i de næste 5-10 år?

Brugsinspirerede forskningsområder, inklusive vores, udvikler sig hurtigt i, hvordan problemer defineres og tackles. For eksempel, at definere problemer kræver øget og vedvarende engagement med interessenter på tværs af hele værdikæden. Ligeledes, løse kompleks, store problemer kræver dannelse af tværfaglige teams bestående af materialeforskere, fysikere, elektroingeniører og dataloger. Især maskinlæringsteknikker spiller nu en stadig vigtigere rolle i forudsigelsen, design og analyse af materialer og enhedsparametre. Disse og andre nye faktorer vil være med til at forme vores forskningsområde i den nærmeste fremtid.