Версия для печати
Вернуться к списку

Компьютер говорит «не знаю»

В ДВФУ разработана платформа для наноэлектроники и квантовых процессоров

Ученые Школы естественных наук Дальневосточного федерального университета (ШЕН ДВФУ) вместе с коллегами из Китайской академии наук разработали микроструктуру из платины, кобальта и оксида магния, которая может работать в режиме троичной логики («да» — «нет» — «не знаю»). На ее основе можно будет строить миниатюрные устройства электроники и спинтроники, квантовые процессоры, оперирующие кутритами (три состояния в отличие от кубитов), и нейроморфные системы, имитирующие функционал человеческого мозга.

Современные процессоры потребляют много энергии, физически отделены от ячеек памяти, а их эффективность ограничена двоичной логикой («1» — «0», «включен» — «выключен»). Это три главные причины, которые препятствуют дальнейшему развитию вычислительной техники по пути миниатюризации и быстродействия.

Во исполнение совместного проекта Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и Китайской академии наук ученые ШЕН ДВФУ (Владивосток) разработали крестообразную микроструктуру, которая состоит из нанометровых слоев платины, кобальта (всего 0,8 нм), оксида магния и покрывающего слоя платины.

Такая структура может быть и процессором, и блоком памяти одновременно, что способствует миниатюризации устройств, реализованных на ее платформе: работающих на троичной логике устройств электроники и спинтроники (электроники, функционирующей на спиновом токе), в том числе квантовых процессоров, оперирующих кутритами (три состояния в отличие от кубитов), и нейроморфных систем, имитирующих функционал головного мозга.

«Благодаря определенной последовательности слоев и переключению спинов электронов в нижнем слое платины мы смогли эффективно управлять тремя магнитными состояниями в слое кобальта, которые соответствуют основным позициям троичной логики(“–1”, “1” и “0” или “да” — “нет” — “не знаю”). Троичная логика (логика Аристотеля) намного превосходит двоичную, булеву логику (“0” — “1”). Принципы троичной логики могут лечь в основу “умных” вычислительных машин недалекого будущего. Эти устройства будут обладать более высокой скоростью работы, длительным сроком жизни и низким энергопотреблением по сравнению с устройствами, реализованными на других принципах»,— рассказал Александр Самардак, руководитель проекта с российской стороны, доцент кафедры компьютерных систем Школы естественных наук ДВФУ.

Чтобы получить спиновый ток и воздействовать на слой кобальта, ученые использовали два перекрестных тока, а также плоскостное магнитное поле, нарушающее магнитную симметрию. При этом по нижнему слою платины пропускали ток в виде коротких импульсов. В результате спины электронов с разной полярностью (ориентированные вверх и вниз, что соответствует позициям «1» и «0») отклонялись к противоположным поверхностям слоя платины, то есть в ней возникал чистый спиновый ток, который оказывал влияние на спины электронов магнитного слоя. При определенных условиях происходил переворот спинов в слое кобальта, то есть ячейка переключалась с «0» на «1», как в полупроводниковом транзисторе.

Управлять разными магнитными состояниями в слое кобальта, то есть реализовать разные состояния троичной логики, удалось за счет токовых импульсов, которые пропускали по двум другим ортогонально (перпендикулярно) расположенным контактам. Выяснилось, что такие

ортогональные токи могут быть более низкими, а в предложенной слоистой структуре можно контролировать и другие промежуточные устойчивые магнитные состояния, что можно использовать для реализации нейроморфных устройств. Более того, появилась возможность реализации в одной микроструктуре набора логических операций: «и», «или», «не—и» и «не—или». Этого можно достичь, используя определенную последовательность перекрестных токов, а не набор полупроводниковых вентилей (транзисторов, сопротивлений, диодов), как это происходит сейчас. В перспективе это тоже будет работать на миниатюризацию устройств.

Александр Самардак объяснил, что в исследовании ученые обозначили лишь вершину айсберга и на пути к реальным устройствам спинтроники и нейроморфным системам на основе троичной логики требуется приложить еще много усилий.

Во-первых, нужно избавиться от постоянного магнитного поля, которое применяется для нарушения магнитной симметрии. Во-вторых, нужно уменьшить размер ячейки до 100–200 нм, чтобы реализовать высокую плотность упаковки элементов на микросхеме. В-третьих, нужно решить задачу по точному считыванию состояния магнитного слоя, для чего нужны высокочувствительные сенсоры, работающие на основе эффекта туннельного магнитосопротивления.

Ученый указал на любопытный факт: первая ЭВМ на троичной логике была разработана в СССР еще в начале 1960-х годов. Проект назывался «Сетунь» и был реализован научной группой под руководством профессора Николая Брусенцова (МГУ им. М. В. Ломоносова). Однако ЭВМ «Сетунь» не получила широкого признания, несмотря на ряд преимуществ перед машинами, которые работали на основе двоичной логики.

Научная группа из лаборатории пленочных технологий ШЕН ДВФУ уже восемь лет сотрудничает с коллегами из Китайской академии наук, которые лидируют в области получения и изучения тонкопленочных систем для спинтроники. За это время ученые реализовали несколько совместных проектов по магнитным сенсорам и наноразмерным спиновым системам.

По материалам статьи Chirality-Reversible Multistate Switching via Two Orthogonal Spin-Orbit Torques in a Perpendicularly Magnetized System; W.L. Yang, C.H. Wan, Z.R. Yan, X. Zhang, Maksim E. Stebliy, X. Wang, C. Fang, C.Y. Guo, Y.W. Xing, T.Y. Ma, Alexey V. Ognev, Alexander S. Samardak, Mean-Jue Tung, G.Q. Yu, and X.F. Han; журнал Physical Review Applied, февраль 2020 г.