Accesorii

O echipa de cercetatori de la Universitatea din Tokyo a dezvoltat un dispozitiv numit element de comutare cuantica nevolatila, care creste viteza de procesare a informatiilor de 1.000 de ori fara a genera caldura suplimentara.

Aceasta componenta reprezinta bitii folosind proprietatile magnetice ale electronilor, mai degraba decat fluxul de electricitate in sine.

In experimentele de laborator, dispozitivul a procesat un bit de informatie in doar 40 de picosecunde, ceea ce reprezinta o miime din timpul necesar metodelor conventionale, relateaza Tom'sHardware. Tehnologia existenta are nevoie de aproximativ o nanosecunda pentru a inregistra un singur bit inainte ca supraincalzirea sa devina o problema critica.

Dispozitiv care mareste viteza cipului de 1.000 de ori fara a genera caldura suplimentara

Cercetatorii din Tokyo au realizat un mecanism de comutare radical diferit prin intermediul unui domeniu cunoscut sub numele de spintronica. In loc sa stocheze informatii sub forma de sarcina electrica, dispozitivele spintronice stocheaza informatii folosind stari magnetice.

Cercetatorii au construit dispozitivul folosind un material antiferomagnetic din mangan-staniu (Mn3Sn), apoi au demonstrat ca impulsurile electrice ultrascurte pot comuta in mod fiabil starea sa magnetica, pastrand informatiile stocate dupa intreruperea alimentarii.

Noul dispozitiv consta din combinatia de tantal si mangan-staniu care lucreaza impreuna pentru a converti semnalele electrice in informatii magnetice.

Un semnal electric trece prin stratul de tantal, iar sistemul inregistreaza acel semnal in mangan-staniu ca directie a unei forte magnetice minuscule. Aceasta directie inregistrata reprezinta un singur bit, fara a se baza pe fluxul continuu de curent electric.

Elementul a functionat stabil chiar si dupa procesarea informatiilor de peste 100 de miliarde de ori in cadrul unor teste de laborator controlate.

De asemenea, cercetatorii au demonstrat o comutare similara folosind impulsuri de fotocurent ultra-rapide generate de un laser, convertind efectiv semnalele optice direct in impulsuri electrice de scriere in memorie.

La nivel fundamental, calculul modern este stiinta comutarii starilor fizice. Fiecare operatiune din interiorul unui computer - fie ca este vorba de rularea unui joc, navigarea pe internet sau incarcarea unui fisier din spatiul de stocare - implica miliarde sau trilioane de mici schimbari de stare fizica. Tranzistoarele se activeaza si se dezactiveaza, celulele de memorie se incarca si se descarca electric, datele se deplaseaza prin interconectari, iar celulele de stocare capteaza sau elibereaza electroni.

Aceste evenimente de comutare reprezinta fizic informatia binara. Problema este ca comutarea starilor necesita energie, iar aproape toata aceasta energie se transforma in cele din urma in caldura. Aceasta realitate devine din ce in ce mai problematica in era IA. Acceleratoarele moderne de IA proceseaza volume enorme de date. Pe masura ce clusterele de GPU se extind la sute de mii de acceleratoare, alimentarea cu energie si racirea devin unele dintre cele mai mari blocaje ale industriei.

Toate tehnologiile actuale de memorie gestioneaza comutarea in mod diferit, dar fiecare vine cu compromisuri majore. DRAM, memoria principala de sistem utilizata in PC-uri, stocheaza informatii sub forma de sarcina electrica in interiorul unor condensatoare minuscule. Un condensator incarcat reprezinta o stare, in timp ce unul descarcat reprezinta alta. Acesti condensatori pierd constant sarcina electrica, ceea ce inseamna ca sistemul trebuie sa reimprospateze repetat celulele de memorie de mii de ori pe secunda doar pentru a pastra datele. Aceasta comutare constanta consuma o cantitate semnificativa de energie si genereaza caldura, chiar si atunci cand sistemele sunt relativ inactive.

Te-ar putea interesa si: Un start-up a prezentat prima placa de circuite integrate fluide din lume care se poate reconfigura singura in mai putin de un minut

Memoria flash utilizata in SSD-uri evita aceasta problema prin captarea electronilor in structuri care retin datele fara alimentare continua. Pe de alta parte, schimbarea acestor stari este mai lenta si consuma mai multa energie, ceea ce face ca memoria flash sa fie nepotrivita pentru memoria de lucru de mare viteza.

SRAM, utilizata in cache-urile CPU, realizeaza o comutare extrem de rapida folosind circuite de feedback cu tranzistori care mentin continuu starea. Dar SRAM consuma o suprafata semnificativa de cip si energie, ceea ce o face costisitoare si dificil de scalat la capacitati mari.

Provocarea pentru dezvoltarea unei memorii mult mai performante devine si mai dificila la scari de timp ultra-rapide, unde multe tehnologii experimentale de comutare se bazeaza partial pe incalzirea fortata pentru a destabiliza si a inversa rapid starile.

Cu cat comutarea este mai rapida, cu atat problema termica devine adesea mai grava. Mai multe abordari de comutare la scara de picosecunde demonstrate anterior, citate in articol, implica cresteri de temperatura de cateva sute de grade Kelvin in timpul functionarii.

Echipa de cercetare a descoperit ca performanta acestor elemente de comutare cuantica se imbunatateste pe masura ce componentele devin fizic mai mici, astfel incat, daca aceasta tehnologie poate fi pusa cu succes in practica, ar putea reduce consumul de energie pentru procesarea informatiilor la doar o sutime din nivelurile actuale.

Mai simplu spus, un centru de date mare, precum unul al Google, care consuma in prezent suficienta energie electrica pentru a alimenta 80.000 de locuinte, ar putea functiona intr-o zi cu energia a doar 800 de locuinte.

In mod similar, un laptop care trebuie incarcat in fiecare zi ar putea functiona timp de trei luni cu o singura incarcare.

In prezent, aproape toata energia electrica consumata de hardware-ul de calcul se transforma in cele din urma in caldura. Infrastructura moderna de IA se confrunta deja cu limite serioase de alimentare si racire, pe masura ce clusterele de GPU se extind la sute de mii de acceleratoare.

Un aspect crucial este ca, in acest experiment, mecanismul de comutare nu se bazeaza in primul rand pe incalzirea materialului. In schimb, impulsurile genereaza un proces care transfera informatia in structura magnetica, fara a necesita varfuri extreme de temperatura.

Aceasta distinctie este afirmatia centrala a studiului. Cercetarea nu se refera doar la crearea unui nou tip de memorie, ci la gasirea unei modalitati mai eficiente din punct de vedere energetic de a comuta starile digitale in sine.

Demonstratia de comutare optica s-ar putea dovedi importanta si pentru viitoarele arhitecturi ale centrelor de date. Cercetatorii au generat impulsuri de fotocurent de 60 de picosecunde folosind un laser.

Acest lucru s-ar putea alinia in cele din urma cu eforturile mai ample ale industriei catre interconectari optice si fotonica pe siliciu, unde hiperscalerii cauta din ce in ce mai mult modalitati de a transfera informatii folosind lumina, mai degraba decat semnalizarea electrica conventionala.

Daca tehnologii de acest gen vor deveni vreodata viabile din punct de vedere comercial, ele ar putea, teoretic, sa diminueze cerintele de racire, sa reduca consumul de energie in repaus si, potential, sa estompeze distinctia dintre memorie si stocare. Pentru infrastructura de IA la scara larga, implicatiile s-ar concentra mai mult pe eficienta energetica si reducerea racirii in cadrul clusterelor masive de GPU.

Deocamdata, insa, tehnologia ramane strict experimentala. Dispozitivele actuale sunt structuri de laborator minuscule, mai degraba decat cipuri de memorie care pot fi fabricate.
Transformarea acestei descoperiri de laborator intr-un cip care poate fi fabricat reprezinta o provocare inginereasca complet diferita.

Cipul prototip este programat pentru 2030, ceea ce inseamna ca disponibilitatea comerciala va veni probabil cu ani mai tarziu.

Articolul Cercetatorii japonezi au dezvoltat un dispozitiv de memorie spintronica actionat cu laser, cu o viteza de 1.000 de ori mai mare decat DRAM apare prima data in Go4IT.