Los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST y el Instituto de Tecnología de Massachusetts MIT han demostrado una forma potencialmente nueva de hacer interruptores dentro de los chips de procesamiento de una computadora, permitiéndoles usar menos energía e irradiar menos calor.
El equipo ha desarrollado una técnica práctica para controlar los magnones, que son esencialmente ondas que viajan a través de materiales magnéticos y pueden transportar información. Para utilizar los magnones para el procesamiento de la información se requiere un mecanismo de conmutación que pueda controlar la transmisión de una señal de magnón a través del dispositivo.
Mientras que otros laboratorios han creado sistemas que transportan y controlan los magnones, el enfoque del equipo trae dos primicias importantes: sus elementos se pueden construir sobre silicio en lugar de sustratos exóticos y caros, como lo han exigido otros enfoques. También funciona eficientemente a temperatura ambiente,en lugar de requerir refrigeración. Por estas y otras razones, este nuevo enfoque podría ser más fácilmente utilizado por los fabricantes de computadoras.
"Este es un bloque de construcción que podría allanar el camino a una nueva generación de tecnología informática altamente eficiente", dijo el miembro del equipo Patrick Quarterman, físico del Centro NIST para la Investigación de Neutrones NCNR. "Otros grupos han creado y controladomagnones en materiales que no se integran bien con chips de computadora, mientras que el nuestro está construido en silicio. Es mucho más viable para la industria ".
Los magnones, también llamados ondas de espín, aprovecharían la propiedad del espín de electrones para transferir información. Una razón por la cual los chips de computadora se calientan tanto es que en un circuito convencional, los electrones viajan de un lugar a otro y su movimiento genera calor. Un magnón, sin embargo, se mueve a través de una larga cadena de electrones, que ellos mismos no necesitan viajar. En cambio, la dirección de giro de cada electrón, que es un poco como una flecha que se extiende a través del eje de un trompo, influye magnéticamente en la dirección de giro deel siguiente electrón en línea. Ajustar el giro del primer electrón envía una ola de cambios de giro que se propagan por la cadena. Debido a que los electrones no se moverían, se produciría mucho menos calor.
Debido a que la cadena de electrones se extiende de un lugar a otro, el magnón puede transportar información a medida que viaja por la cadena. En los chips basados en la tecnología de magnón, las alturas de onda amplitudes más grandes y más pequeñas podrían representar unos y ceros. Y porque la ondala altura puede cambiar gradualmente, un magnón podría representar valores entre uno y cero, dándole más capacidades que un interruptor digital convencional.
Si bien estas ventajas han hecho que el procesamiento de información basado en el magnón sea una idea tentadora en teoría, hasta ahora la mayoría de las estructuras exitosas se han construido dentro de múltiples capas de películas delgadas que se asientan sobre una base de granate de gadolinio galio, en lugar de sobre el siliciode los que están hechos los chips comerciales. Este material "GGG" sería prohibitivamente caro de producir en masa.
"Es un divertido parque de juegos de física que demuestra los principios básicos", dijo Quarterman, "pero no es práctico para la producción a escala industrial".
Sin embargo, Yabin Fan y sus colegas en el MIT usaron un enfoque de ingeniería creativa para colocar las películas delgadas sobre una base de silicio. Su objetivo era construir su sistema sobre el material con el que la industria de la informática ha estado acostumbrada a trabajar durante mucho tiempo, permitiendo así que los magnones interactúen con la tecnología informática convencional.
Inicialmente, su creación multicapa no se comportó como se esperaba, pero los científicos del NCNR utilizaron una técnica llamada reflectometría de neutrones para explorar el comportamiento magnético dentro del dispositivo. Los neutrones revelaron una interacción inesperada pero ventajosa entre dos de las capas de película delgada: Dependiendosegún la cantidad de campo magnético aplicado, los materiales se ordenan de diferentes maneras que podrían representar el estado de "encendido" o "apagado" de un interruptor, así como las posiciones entre encendido y apagado, lo que lo hace similar a una válvula.
"A medida que baja el campo magnético, la dirección cambia", dijo Fan, un asociado postdoctoral en el departamento de ingeniería eléctrica del MIT. "Los datos son muy claros y nos mostraron lo que estaba sucediendo a diferentes profundidades. Hay un acoplamiento muy fuerte entre elcapas."
El interruptor magnon podría encontrar uso en dispositivos que también hacen otro tipo de cálculo. Los interruptores digitales convencionales solo pueden existir en estados de encendido o apagado, pero debido a que la amplitud de la onda de giro puede cambiar gradualmente de pequeño a grande, eses posible que los magnones se puedan usar en aplicaciones de computación analógica, donde el interruptor tiene valores entre 0 y 1.
"Por eso consideramos que esto se parece más a una válvula", dijo Quarterman. "Puede abrirlo o cerrarlo de a poco".
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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