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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.
In un laboratorio dell'Università del Michigan, il dottorando Avery-Ryan Ansbro prepara il ferro-gallio, una lega, con una tecnica chiamata deposizione laser pulsata. Il film sottile che realizza è una parte di M3BOLT, un chip presentato dai ricercatori della Università del Michigan (U-M) e dell'Università del Wisconsin–Madison. Il team ritiene che potrebbe rendere i computer da 100 a 1.000 volte più veloci.
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.
Il problema nasce dal transistor. Un processore ne contiene miliardi, che si accendono e si spengono per gestire i dati, e i produttori hanno passato decenni a ridurne le dimensioni per guadagnare velocità e risparmiare energia. Ma più diventano piccoli, meno sono efficienti: gli elettroni attraversano i transistor anche quando sono spenti, e questo spreca energia. Il team stima che i transistor convenzionali potrebbero raggiungere i loro limiti teorici di efficienza energetica entro il 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 fa a meno dell'interruttore. I progettisti abbinano un cristallo ferroelettrico, niobato di magnesio e piombo-titanato di piombo (PMN-PT), a un sottile strato di lega magnetica di ferro-gallio. Quando viene applicato un campo elettrico, il cristallo cambia il proprio orientamento elettrico interno, il che altera le proprietà magnetiche dello strato di ferro-gallio. Ne risultano i magnoni, onde che si propagano nel materiale con pochissima resistenza e perdono quindi meno energia sotto forma di calore. Queste onde potrebbero raggiungere frequenze di terahertz, contro i gigahertz dei processori di consumo attuali, ed è per questo che il team afferma che i computer potrebbero elaborare le informazioni centinaia di volte più rapidamente.
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.
Il dispositivo potrebbe anche immagazzinare dati. I ricercatori modificherebbero l'orientamento magnetico dello strato di ferro-gallio, così che i due stati magnetici possano valere come 1 e 0, al posto dei due livelli di tensione dei transistor attuali. Quell'orientamento resta lo stesso anche quando l'alimentazione viene interrotta, quindi lo stesso materiale potrebbe elaborare e conservare le informazioni senza un'alimentazione continua. Restano proiezioni: le cifre da 100 a 1.000 volte sono stime del team. Il gruppo dell'Università del Wisconsin–Madison userà simulazioni al computer per studiare le prestazioni e individuare possibili difetti dei materiali, mentre l'Università del Michigan continua a sviluppare i materiali, i dispositivi e i circuiti necessari a far funzionare la tecnologia nei computer reali.
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.
Per ora il team si concentra sui dispositivi a basso consumo, ha dichiarato Wei Lu, professore di ingegneria all'Università del Michigan. Un comunicato stampa del team sostiene che dispositivi autonomi o mobili potrebbero ospitare computer più potenti senza enormi alimentatori. L'ambizione a lungo termine è più ampia: «immaginate che un giorno si possano costruire supercomputer con questi dispositivi», ha detto Lu. «Forse non servirebbe una centrale nucleare per far funzionare un grande data center». Il team non indica alcuna data per nessuno di questi obiettivi.