06/07/2011 - Die Zukunft der Computer ist in den magnetischen Mikroprozessoren

Menéame

Ein Team von Wissenschaftlern an der Universität von Kalifornien in Berkeley hat eine Untersuchung veröffentlicht, aus der hervorgeht, dass die Zukunft der Computer mit den magnetischen Mikroprozessoren verbunden sein wird, da sie in der Lage sind, die geringste Menge an Energie zu verbrauchen, die nach den Gesetzen der Physik erlaubt ist. Auf Elena Higueras.

Heute arbeiten Mikroprozessoren, die auf Siliziumchips basieren, durch elektrische Ströme oder Elektronen, die sich bewegen, indem sie eine große Menge an Restwärme erzeugen. Mikroprozessoren, die nanometrische Magnetleisten für Speicher, Logik und Schaltvorgänge verwenden, könnten jedoch ohne die Notwendigkeit sich bewegender Elektronen arbeiten.

Niedriger Verbrauch

Diese Chips würden so die durch das zweite Gesetz der Thermodynamik zulässige Mindestenergie verbrauchen, die so genannte "Landauer-Grenzwert" oder das gleiche, eine Millionmal weniger Energie pro Betrieb, als die Computer derzeit verbrauchen, wie es in einer von der Universität von Kalifornien in Berkeley veröffentlichten Erklärung heißt.

Brian Lambson, ein Student der Abteilung für Elektronik und Informatik, erklärte in diesem Bericht die Vorteile der magnetischen Mikroprozessoren: "Heute arbeiten Computer mit Elektrizität; Elektronen können in einer Schaltung transportiert werden. Ein magnetisches Gerät hingegen beinhaltet keine sich bewegenden Elektronen, sondern kann die Informationen mit Hilfe der Magnete speichern und verarbeiten. Wenn diese sehr kleinen Magnete hergestellt werden, können sie sehr zusammengelegt werden, um miteinander zu interagieren. So sind wir in der Lage, Berechnungen zu machen, alle Funktionen eines Computers zu speichern und auszuführen."

Lambson arbeitet gemeinsam mit seinem Professor Jeffrey Bokor an der Entwicklung von magnetischen Computern, der das Zentrum für Energieeffizienz der elektronischen Wissenschaft (E3S) leitet, eine im vergangenen Jahr gegründete wissenschaftlich-technologische Institution mit einem Zuschuss von 25 Millionen US-Dollar, die von der Nationalen Wissenschaftsstiftung der Vereinigten Staaten stammt.

Bokor argumentiert, dass es möglich sei, echte Schaltungen zu schaffen, die gut an der Landauer-Grenze funktionieren, was eine enorme Verringerung des Energieverbrauchs für Elektronik bedeuten würde. "Es wäre absolut revolutionär," sagt er. So viel, dass eines der Ziele des Zentrums, das kodiziert, ist der Bau von Computern, die an der Grenze von Landauer arbeiten. Lambson, Bokor und ein anderer Student von Berkeley, David Carlton, haben einen Artikel über ihre Analysen in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Landauers Theorie

 Vor 50 Jahren verwendete Rolf Landauer die Informationstheorie, um die Mindestenergie einer logischen Operation wie eine Operation von AND und OR zu berechnen, entsprechend der durch das zweite Gesetz der Thermodynamik auferlegten Begrenzung (in einer logischen Standardtür mit zwei Eingängen und einem Ausgang, erzeugt eine Operation AND einen Ausgang, wenn zwei positive Eingänge verfügbar sind, während eine Operation OR einen Ausgang erzeugt, wenn ein oder beide Eingänge positiv sind.) Dieses Gesetz sieht vor, dass ein irreversibler Prozess, wie eine logische Operation oder das Löschen eines Bit-Informationen, die Energie, die nicht wiederhergestellt werden kann, ablöst. Mit anderen Worten, die Entropie eines geschlossenen Systems kann nicht abnehmen.

In den heutigen Transistoren und Mikroprozessoren ist diese Grenze deutlich niedriger als andere Energieverluste, die Wärme erzeugen, vor allem durch den elektrischen Widerstand der sich bewegenden Elektronen. Forscher wie Bokor versuchen jedoch, Teams zu entwickeln, die nicht von den sich bewegenden Elektronen abhängen, um so an Landauers Grenze heranzukommen.

Lambsons und Bokors Tests

 Das Team der Universität von Kalifornien beschloss, die Begrenzung der Energieeffizienz eines einfachen logischen Magnetkreislaufs und eines Magnetspeichers theoretisch und experimentell zu testen. Dazu benutzten sie Nanomagnete von etwa 100 Nanometern Breite und etwa 200 Nanometer Länge. Da sie die gleiche Nord-Süd- Polarität wie ein Magnet haben, kann die Ausrichtung nach oben oder unten verwendet werden, um 0 und 1 des Speichers eines binären Computers darzustellen. Wenn mehrere Nanomagnete miteinander verbunden sind, interagieren ihre Nord- und Südpole auch mit einfachen Logikoperationen.

Durch eine Reihe von Berechnungen und Simulationen durch den Computer Lambson hat sich gezeigt, dass eine einfache Speicheroperation mit einer Energieableitung durchgeführt werden kann, die sehr nahe, wenn nicht identisch, an der Grenze von Landauer ist.

Anschließend wurde eine einfache logische magnetische Operation analysiert. Die erste erfolgreiche Demonstration einer logischen Operation mit magnetischen Nanopartikeln wurde 2006 durch die Arbeit von Forschern an der Universität Notre Dame gewonnen. Dann baute das Team eine logische Tür mit drei Eingängen mit 16 Nanomagneten. Lambson hat jetzt berechnet, dass eine Berechnung mit einem solchen Schaltkreis auch Energie an Landauers Grenze zerstreuen würde. Da die Grenze von Landauer proportional zur Temperatur ist, wären die Schaltkreise bei niedrigen Temperaturen noch effizienter.

Zur Zeit werden die elektrischen Ströme, die zur Erzeugung eines Magnetfelds verwendet werden, um die Polarität der Nanomagnete zu löschen oder zu verändern, eine Menge Energie abfließen lassen. In einem geeigneten Umfeld würden neue Materialien elektrische Ströme unnötig machen, außer vielleicht, um Informationen von einem Chip zum anderen zu übermitteln.

Da sich die Forscher jedoch darauf konzentrieren, den Energieverbrauch zu senken, werden die Geräte anfälliger für zufällige Schwankungen der thermischen und anderen Lärmarten. "Die magnetische Technologie, die wir untersuchen, ist für den niedrigen Energieverbrauch sehr interessant, aber jetzt müssen wir einen Weg finden, um sie wettbewerbsfähiger in Geschwindigkeit, Leistung und Zuverlässigkeit zu machen. Wir müssen dafür sorgen, dass sie jedes Mal eine richtige Antwort mit einem sehr, sehr, sehr hohen Grad an Zuverlässigkeit erhält," schließt Bokor.

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