В США придумали магнитно-акустический транзистор без электронов — он обещает ускорить вычисления в 1000 раз
Уменьшение размеров транзисторов неизбежно ведёт к росту утечек тока из-за туннелирования электронов даже через закрытые переходы. Это и другие факторы вскоре могут остановить развитие токовой электроники, тогда как потребность в вычислительных мощностях продолжит расти. На этот случай в США разработали принципиально иной транзистор, работающий на основе магнитно-акустических волн.
Разработка ведётся совместно усилиями учёных Мичиганского университета (University of Michigan) и Университета Висконсина (University of Wisconsin). Если от транзисторов нельзя отказаться в принципе, говорят исследователи, поскольку на них построены вся существующая вычислительная архитектура и алгоритмы, то нужно просто заменить обычные транзисторы устройствами, работающими по иному принципу — не на основе тока (движения электронов).
Задел по новой разработке оказался настолько перспективным, что проект получил финансирование в районе $6 млн от Управления перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) в рамках программы Fast and Curious. Разрабатываемое устройство назвали M3BOLT. Это аббревиатура от названия проекта Multiferroic Magnetoelectric–Magnetoacoustic Beyond-charge Logic via Tunable Transmission, что по-русски можно перевести как «Логика за пределами переноса заряда на основе мультиферроидных магнитоэлектрических и магнитоакустических эффектов с управляемой передачей сигналов».
Принцип работы нового транзистора основан на использовании магнитных и звуковых волн вместо обычного переноса электронов. Такая альтернатива по прикидкам будет способна повысить скорость вычислений в 100–1000 раз и существенно снизит энергопотребление.
Основой M3BOLT служит многослойная структура из двух материалов с различными физическими свойствами. Нижний слой — сегнетоэлектрический кристалл PMN-PT (ферроэлектрик в англоязычной литературе), представляющий собой соединение ниобата магния-свинца и титаната свинца. Сверху размещается тонкая плёнка магнитного сплава железа и галлия (FeGa).
Под действием электрического поля атомы в сегнетоэлектрическом слое смещаются, передавая механическую деформацию верхнему магнитному слою FeGa. В результате в магнитном слое изменяется ориентация магнитных моментов, и по плёнке распространяются магнитные волны. Это происходит за счёт согласованных колебаний магнонов — квантов возбуждения спиновой волны. Таким образом, информация передаётся без перемещения электронов и вообще без использования электрического заряда.
Для представления данных в виде привычных нулей и единиц разработчики предлагают использовать два состояния материала. В одном случае магнитные моменты колеблются, формируя магнонную волну, что соответствует единице. В другом их ориентация изменяется так, что магнитные колебания подавляются и вместо них распространяются акустические возмущения — фононная волна.
По замыслу авторов, волновые процессы смогут работать на частотах терагерцового диапазона, тогда как современные процессоры используют тактовые частоты порядка нескольких гигагерц. Дополнительное преимущество — возможность сохранять ориентацию магнитных моментов после отключения питания, благодаря чему один и тот же материал потенциально сможет выполнять функции вычислительного элемента и энергонезависимой памяти. По сути речь идёт о вычислениях в памяти — это тоже важная технология для продвижения по шкале производительности и энергоэффективности вычислений.
Проект M3BOLT находится на ранней стадии разработки. Команда под руководством из Мичиганского университета занимается проектированием устройства и логических схем, тогда как группа из Университета Висконсина в Мадисоне будет моделировать физические процессы, влияние дефектов материалов и особенности пограничных состояний между слоями.
В свою очередь, DARPA в рамках программы Fast and Curious ставит перед разработчиками более широкую задачу — создать логические схемы, превосходящие современные решения на основе CMOS по энергоэффективности как минимум в 100 раз. Сами разработчики верят, что новый транзистор сможет в 1000 раз превзойти современные аналоги. Это ещё предстоит проверить на практике, однако раньше середины 2030-х годов конкретных результатов никто не обещает.