Cercetători din Japonia au creat un dispozitiv care ar putea face procesoarele de până la 1.000 de ori mai rapide, fără a genera căldura reziduală uriașă care însoțește de obicei procesarea de mare viteză. Numit „element de comutare nevolatil”, acesta poate prelucra un bit de informație în doar 40 de picosecunde – față de cel puțin o nanosecundă, cât le ia cipurilor obișnuite. Dacă va putea fi produs la scară largă, dispozitivul ar putea reduce dramatic consumul energetic al centrelor de date. Un cip prototip ar putea fi gata până în 2030, scrie Live Science.
Doi dintre factorii limitativi în calculul de înaltă performanță – în special pentru procesoarele folosite în centrele de date – sunt aportul costisitor de energie necesar și cantitatea masivă de căldură reziduală generată. În general, cu cât un procesor lucrează mai repede, cu atât produce mai multă căldură.
Acest principiu se aplică deopotrivă celor mai mari și celor mai mici mașini; majoritatea oamenilor cunosc zgomotul ventilatoarelor care se învârt pentru a răci componentele atunci când un computer execută o operațiune deosebit de complexă. Centrele de date din cloud, în schimb, pot avea zeci de mii de servere, fiecare degajând cantități uriașe de căldură de la procesoarele sale.
Însă un nou dispozitiv, numit „element de comutare nevolatil”, este capabil de procesare rapidă fără generarea problematică de căldură asociată de obicei procesării de mare viteză, au descoperit cercetătorii.
Noul dispozitiv ar putea procesa un bit – cea mai mică unitate de informație, reprezentată ca „1” sau „0” – în doar 40 de picosecunde, adică 40 de trilionimi de secundă. Prin comparație, cipurile convenționale procesează cu greu un bit în mai puțin de o nanosecundă, adică o miliardime de secundă.
În noul studiu, publicat pe 14 mai în revista Science, oamenii de știință au demonstrat că o comutare cu consum extrem de redus, în domeniul picosecundelor, este posibilă.
Puterea luminii
Cercetătorii au construit acest element de comutare nevolatil din straturi ultrasubțiri de tantal (Ta) și Mn3Sn așezate pe o bază de siliciu. Au ales tantalul – un metal refractar care poate stoca și elibera electricitate – și Mn3Sn pentru că este antiferomagnetic, ceea ce înseamnă că are proprietăți magnetice stabile și este rezistent la interferențele câmpurilor magnetice externe.
Apoi au folosit un generator de pulsuri ultrarapid pentru a controla pulsuri rapide de lumină – la fel de scurte ca 60 de picosecunde per puls – în banda de lungimi de undă folosită în mod normal pentru comunicații. Fiecare puls de lumină trecea printr-un fotodetector de mare viteză numit fotodiodă cu purtător unic (UTD-PD).
Când elementul de comutare nevolatil primea pulsuri de la UTD-PD, spinii electronilor din material se modificau, iar oamenii de știință înregistrau o forță magnetică minusculă.
În testele de laborator, elementul de comutare nevolatil a funcționat constant și fiabil, în pofida faptului că a efectuat peste un miliard de comutări, dovedind astfel stabilitatea inerentă a dispozitivului. Mai mult, procesul nu a necesitat un flux continuu de electricitate pentru ca informația magnetică să fie menținută.
Cel mai important, procesarea a generat o căldură suplimentară minimă în comparație cu cea produsă de un procesor convențional. Elementul de comutare nevolatil ar putea, prin urmare, să depășească provocarea procesării de mare viteză funcționând într-un mod care nu generează cantități masive de căldură.
Reducerea căldurii reziduale
În prezent, căldura reziduală reprezintă un obstacol major în calea creșterii puterii de procesare a centrelor de date, au remarcat cercetătorii în studiu – iar acest dispozitiv ar putea elimina respectiva limitare. Datorită cerințelor reduse de putere și generării termice scăzute, elementul de comutare nevolatil ar putea reduce dramatic necesarul de energie al procesoarelor.
Totuși, fabricarea unui număr suficient de astfel de dispozitive pentru a face o diferență ar putea ridica provocări suplimentare. Tantalul este un metal rar, deja foarte căutat, așa că ar putea apărea probleme de aprovizionare. Dispozitivul ar trebui, de asemenea, testat în afara condițiilor de laborator, unde factorii de mediu externi i-ar putea afecta performanțele.
În urma demonstrației reușite în laborator, un cip prototip ar putea fi gata până în 2030, au precizat oamenii de știință în studiu.
Cercetătorii consideră că o reducere suplimentară a grosimii stratului de Mn3Sn ar diminua și mai mult consumul de energie. Următoarea provocare, au adăugat ei, va fi dezvoltarea unui proces de fabricație în masă viabil comercial, capabil să construiască dispozitivul la scară largă.