Американские исследователи из Мичиганского и Висконсинского университетов работают над принципиально новой технологией вычислений, которая может стать альтернативой традиционным кремниевым транзисторам. Проект M3BOLT предусматривает передачу и обработку информации с помощью магнитных и акустических волн вместо привычного движения электрических зарядов. По предварительным оценкам разработчиков, такой подход потенциально способен повысить быстродействие отдельных вычислительных элементов в 100–1000 раз и значительно сократить потребление энергии.

Перспективность технологии привлекла внимание Управления перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA), выделившего на исследования около 6 млн долларов. Финансирование предоставлено в рамках программы Fast and Curious, направленной на поиск новых физических принципов работы вычислительных систем. Учёные рассчитывают создать элементы логики, которые смогут преодолеть некоторые ограничения современной микроэлектроники, однако проект пока находится на исследовательской стадии. Практическое применение технологии ожидается не раньше следующего десятилетия.

Почему современной электронике требуется альтернатива

На протяжении десятилетий развитие процессоров во многом обеспечивалось уменьшением размеров транзисторов. Чем компактнее становились электронные компоненты, тем больше вычислительных элементов удавалось разместить на одном кристалле.

Однако дальнейшая миниатюризация сопровождается всё более серьёзными физическими ограничениями.

Одной из проблем становится квантовое туннелирование. При уменьшении толщины изолирующих барьеров электроны могут проникать через них даже в тех случаях, когда транзистор должен находиться в закрытом состоянии.

Это приводит к нежелательным токам утечки и усложняет управление энергопотреблением.

Дополнительные трудности связаны с выделением тепла, плотностью размещения компонентов, сложностью межсоединений и затратами энергии на передачу данных между вычислительными блоками.

Современные производители процессоров продолжают совершенствовать архитектуру транзисторов, применять новые материалы и использовать трёхмерную компоновку. Тем не менее дальнейшее повышение производительности требует всё более сложных инженерных решений.

Поэтому учёные исследуют альтернативные способы представления и обработки информации, которые позволят уменьшить зависимость вычислений от перемещения электрических зарядов.

M3BOLT: логические операции с помощью магнитных и звуковых волн

Разрабатываемая технология получила название M3BOLT — сокращение от Multiferroic Magnetoelectric–Magnetoacoustic Beyond-charge Logic via Tunable Transmission.

В основе проекта лежит идея управляемого преобразования и распространения физических волн внутри многослойной структуры.

В обычном транзисторе электрическое напряжение контролирует прохождение тока через полупроводниковый канал. Новая концепция предполагает использование другого механизма: переключение между состояниями, в которых распространяются или подавляются определённые волновые возбуждения.

Для этого исследователи объединяют материалы, способные преобразовывать электрическое воздействие в механическую деформацию, а затем изменять магнитное состояние соседнего слоя.

В результате появляется возможность управлять передачей информации без необходимости использовать обычный транзисторный канал с потоком электронов.

При этом полностью исключить электрические процессы из устройства не предполагается. Электрическое поле по-прежнему необходимо для управления состоянием материала, а будущие схемы потребуют интерфейсов ввода и считывания данных.

Главное отличие заключается именно в физическом механизме распространения и обработки сигнала.

Из каких материалов состоит новый вычислительный элемент

Экспериментальная концепция M3BOLT основана на сочетании двух материалов с различными физическими свойствами.

Первый слой — сегнетоэлектрический кристалл PMN-PT.

Это материал на основе соединений ниобата магния-свинца и титаната свинца. Он обладает выраженными электромеханическими свойствами и способен изменять свою форму под действием электрического поля.

Второй слой — магнитная плёнка FeGa.

Она представляет собой сплав железа и галлия, обладающий магнитострикционными свойствами. Это означает, что механическая деформация может влиять на его магнитное состояние.

Совместная работа двух слоёв создаёт механизм управления магнитными возбуждениями посредством электрического воздействия.

Когда на нижний кристалл подаётся напряжение, внутри него изменяется положение атомов. Возникающая деформация передаётся магнитной плёнке, вызывая изменение ориентации её магнитных моментов.

Таким образом, электрическое управление преобразуется в механическое воздействие, которое влияет на распространение магнитных волн.

Именно взаимодействие этих физических процессов должно обеспечить работу будущего логического элемента.

Как магноны и фононы смогут заменить привычные нули и единицы

В основе новой технологии находятся два типа коллективных возбуждений вещества — магноны и фононы.

Магноны представляют собой кванты спиновых волн. Они связаны с согласованными изменениями ориентации магнитных моментов внутри материала.

Фононы описывают кванты колебаний кристаллической решётки. С ними связано распространение механических и акустических возбуждений в твёрдых телах.

Исследователи предлагают использовать управляемое взаимодействие этих процессов для представления двоичной информации.

В одном состоянии магнитная структура поддерживает распространение спиновых волн. Такое состояние может соответствовать логической единице.

При изменении магнитной конфигурации распространение соответствующих возбуждений подавляется, а передача энергии может происходить преимущественно через акустические колебания. Этот режим предполагается использовать для представления другого логического состояния.

Переключение между режимами позволит реализовывать логические операции.

Важная особенность концепции заключается в том, что передача сигнала не требует обычного электрического тока через полупроводниковый канал.

Однако для создания полноценного процессора учёным ещё предстоит доказать, что такие элементы можно надёжно объединять в большие вычислительные схемы.

Почему разработчики рассчитывают на ускорение до 1000 раз

Одним из главных преимуществ M3BOLT исследователи считают потенциально высокую скорость волновых процессов.

В современных процессорах тактовые частоты обычно измеряются гигагерцами. В перспективных магнитно-акустических структурах предполагается использовать процессы, способные работать на значительно более высоких частотах, вплоть до терагерцового диапазона.

Один терагерц соответствует триллиону колебаний в секунду, тогда как один гигагерц — миллиарду.

Теоретически это открывает возможности для существенного ускорения отдельных операций.

Разработчики рассматривают повышение быстродействия в диапазоне от 100 до 1000 раз по сравнению с определёнными традиционными электронными решениями.

Однако такие показатели пока являются исследовательскими целями, а не результатами испытаний готового процессора.

Высокая частота физических колебаний сама по себе не гарантирует пропорционального роста производительности вычислительной системы.

Реальное быстродействие будет зависеть от скорости переключения логических состояний, передачи данных, согласования элементов и работы вспомогательных цепей.

Кроме того, необходимо учитывать задержки при преобразовании сигналов между электрической, магнитной и акустической формами.

Поэтому говорить о появлении процессоров, которые автоматически окажутся в тысячу раз быстрее современных CPU или GPU, пока преждевременно.

Вычисления и хранение данных в одном устройстве

Ещё одной перспективной особенностью технологии может стать объединение логических операций и энергонезависимой памяти.

В традиционных вычислительных системах обработка информации и её хранение зачастую выполняются разными аппаратными блоками.

Передача данных между ними требует времени и дополнительной энергии.

Эта проблема особенно заметна при работе с большими массивами информации, включая задачи искусственного интеллекта и высокопроизводительных вычислений.

Магнитные материалы потенциально позволяют сохранять определённые состояния даже после отключения внешнего питания.

Если исследователям удастся использовать такую возможность в M3BOLT, один и тот же физический элемент сможет участвовать как в вычислениях, так и в хранении информации.

Подобный подход относится к перспективному направлению вычислений в памяти — In-Memory Computing.

Он позволяет уменьшить количество операций по перемещению данных между отдельными компонентами системы.

Однако практическая реализация потребует стабильного сохранения состояний, надёжного считывания информации и высокой устойчивости к ошибкам.

DARPA выделило около 6 млн долларов на исследования

Проект M3BOLT получил финансовую поддержку DARPA в рамках программы Fast and Curious.

Объём выделенных средств составляет приблизительно 6 млн долларов.

Одна из задач программы заключается в поиске альтернативных технологий вычислений, способных значительно превзойти существующие решения на основе CMOS — комплементарной металл-оксид-полупроводниковой технологии, применяемой в современной микроэлектронике.

Целевой показатель DARPA предусматривает повышение энергоэффективности логических схем как минимум в 100 раз.

Исследователи M3BOLT рассматривают возможность достижения ещё более значительных результатов, однако подтвердить такие характеристики предстоит экспериментально.

Работа распределена между двумя университетскими командами.

Специалисты Мичиганского университета отвечают за проектирование нового вычислительного элемента и разработку логических схем на его основе.

Исследователи Висконсинского университета в Мадисоне сосредоточатся на моделировании физических процессов, изучении дефектов материалов и особенностей взаимодействия слоёв.

Отдельное внимание планируется уделить стабильности магнитных состояний и поведению волновых возбуждений на границах различных материалов.

Эти исследования должны показать, насколько технология пригодна для дальнейшего масштабирования.

Какие препятствия предстоит преодолеть

Несмотря на привлекательные теоретические характеристики, создание практически применимых магнитно-акустических вычислительных систем связано с серьёзными трудностями.

Прежде всего необходимо обеспечить воспроизводимое изготовление многослойных структур с точно заданными свойствами.

Даже небольшие дефекты на границах материалов могут влиять на передачу механических колебаний и распространение магнитных волн.

Другой важный вопрос — управление большим количеством логических элементов.

Для построения сложного процессора недостаточно продемонстрировать переключение одного устройства. Необходимо обеспечить передачу сигналов между множеством элементов без существенных потерь и искажений.

Также предстоит решить вопросы совместимости с существующей электроникой, температурной стабильности, энергозатрат на управление и надёжности длительной эксплуатации.

Наконец, разработчикам потребуется продемонстрировать полноценные логические схемы, а не только отдельные физические эффекты.

Лишь после этого можно будет объективно сравнивать новую архитектуру с современными полупроводниковыми технологиями.

Когда могут появиться первые практические результаты

M3BOLT пока находится на ранней стадии научно-исследовательской разработки.

Командам предстоит проверить основные физические принципы, создать экспериментальные устройства и определить реальные характеристики переключения и энергопотребления.

По предварительным ожиданиям, существенные практические результаты могут появиться не раньше середины 2030-х годов.

Даже успешные лабораторные испытания не будут означать немедленного появления коммерческих процессоров.

Переход от экспериментального элемента к массовому производству потребует разработки технологических процессов, методов контроля качества и новых подходов к проектированию вычислительных архитектур.

При этом технология может найти применение сначала в специализированных вычислительных устройствах, где высокая скорость определённых операций и низкое энергопотребление особенно важны.

Возможная альтернатива кремниевой электронике

Исследования M3BOLT демонстрируют одно из направлений поиска вычислительных технологий следующего поколения.

Вместо дальнейшего уменьшения привычных транзисторов американские учёные предлагают изменить сам способ обработки информации, используя взаимодействие электрических, механических и магнитных свойств материалов.

Если экспериментальные результаты подтвердят расчёты, магнитно-акустическая логика сможет стать основой для новых энергоэффективных вычислительных систем.

Особый интерес представляет возможность совместить высокоскоростную обработку данных с их энергонезависимым хранением.

Тем не менее заявленное тысячекратное ускорение пока остаётся перспективной целью, а не доказанным технологическим достижением.

В ближайшие годы исследователям предстоит выяснить, сможет ли M3BOLT выйти за пределы лабораторных экспериментов и стать практической альтернативой традиционной полупроводниковой логике.