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In a University of Michigan lab, doctoral student Avery-Ryan Ansbro prepares iron gallium, an alloy, with a technique called pulsed laser deposition. The thin film he makes is one part of M3BOLT, a chip unveiled by researchers at the University of Michigan (U-M) and the University of Wisconsin–Madison. The team believes it could make computers 100 to 1,000 times faster.
Dans un laboratoire de l'Université du Michigan, Avery-Ryan Ansbro, doctorant, prépare du fer-gallium, un alliage, à l'aide d'une technique appelée dépôt par laser pulsé. La couche mince qu'il fabrique est l'un des éléments de M3BOLT, une puce dévoilée par des chercheurs de l'Université du Michigan (U-M) et de l'Université du Wisconsin–Madison. L'équipe estime qu'elle pourrait rendre les ordinateurs 100 à 1 000 fois plus rapides.
The problem starts with the transistor. A processor holds billions of them, switching on and off to handle data, and manufacturers spent decades shrinking them to gain speed and save energy. But the smaller they get, the less efficient they become: electrons pass through them even when they are switched off, and that wastes energy. The team estimates that conventional transistors could reach their theoretical energy-efficiency limits by 2037.
Le problème vient du transistor. Un processeur en contient des milliards, qui s'allument et s'éteignent pour traiter les données, et les fabricants ont passé des décennies à les miniaturiser pour gagner en vitesse et économiser de l'énergie. Mais plus ils deviennent petits, moins ils sont efficaces : les électrons les traversent même lorsqu'ils sont éteints, ce qui gaspille de l'énergie. L'équipe estime que les transistors classiques pourraient atteindre leurs limites théoriques d'efficacité énergétique d'ici 2037.
M3BOLT skips the switch. Its designers pair a ferroelectric crystal, lead magnesium niobate-lead titanate (PMN-PT), with a thin layer of magnetic iron-gallium alloy. When an electric field is applied, the crystal changes its internal electrical orientation, which alters the magnetic properties of the iron-gallium layer. That produces magnons, waves that travel through the material with very little resistance and so lose less energy as heat. Those waves could reach terahertz frequencies, against the gigahertz of today's consumer processors, which is why the team says computers could process information hundreds of times faster.
M3BOLT se passe d'interrupteur. Ses concepteurs associent un cristal ferroélectrique, le niobate de magnésium-plomb et titanate de plomb (PMN-PT), à une fine couche d'alliage fer-gallium magnétique. Lorsqu'un champ électrique est appliqué, le cristal modifie son orientation électrique interne, ce qui altère les propriétés magnétiques de la couche fer-gallium. Il en résulte des magnons, des ondes qui traversent le matériau avec très peu de résistance et perdent donc moins d'énergie sous forme de chaleur. Ces ondes pourraient atteindre des fréquences de l'ordre du térahertz, contre le gigahertz des processeurs grand public actuels, ce qui explique que l'équipe affirme que les ordinateurs pourraient traiter l'information des centaines de fois plus vite.
The device could also store data. Researchers would change the magnetic orientation of the iron-gallium layer, so that two magnetic states could serve as 1 and 0 instead of the two voltage levels of current transistors. That orientation stays the same after the power is switched off, so the same material could process information and keep it without a continuous power supply. These remain projections: the 100-to-1,000 figures are the team's estimates. The University of Wisconsin–Madison group will use computer simulations to study performance and identify possible material defects, while U-M continues to develop the materials, devices and circuits needed to make the technology work in real computers.
Le dispositif pourrait aussi stocker des données. Les chercheurs modifieraient l'orientation magnétique de la couche fer-gallium, de sorte que deux états magnétiques serviraient de 1 et de 0, au lieu des deux niveaux de tension des transistors actuels. Cette orientation demeure après la coupure de l'alimentation : le même matériau pourrait donc traiter l'information et la conserver sans alimentation continue. Il ne s'agit toujours que de projections : les chiffres de 100 à 1 000 fois sont des estimations de l'équipe. Le groupe de l'Université du Wisconsin–Madison utilisera des simulations informatiques pour étudier les performances et repérer d'éventuels défauts dans les matériaux, tandis que l'U-M poursuit le développement des matériaux, des composants et des circuits nécessaires pour faire fonctionner la technologie dans de vrais ordinateurs.
For now, the team concentrates on low-power devices, Wei Lu, an engineering professor at U-M, said. A press release from the team argues that autonomous or mobile devices could carry better computers without huge power supplies. The longer ambition is larger: “imagine that someday we can build supercomputers with them,” Lu said. “You might not need a nuclear power plant to run a large data center.” The team gives no date for any of this.
Pour l'instant, l'équipe se concentre sur les dispositifs basse consommation, a déclaré Wei Lu, professeur d'ingénierie à l'U-M. Un communiqué de l'équipe avance que des appareils autonomes ou mobiles pourraient embarquer de meilleurs calculateurs sans alimentations énormes. L'ambition à plus long terme est plus vaste : « Imaginez qu'un jour nous puissions construire des supercalculateurs avec ces puces », a déclaré Lu. « Vous n'auriez peut-être pas besoin d'une centrale nucléaire pour faire tourner un grand centre de données. » L'équipe ne donne aucune date pour l'une de ces perspectives.