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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.
Num laboratório da Universidade do Michigan, o estudante de doutoramento Avery-Ryan Ansbro prepara ferro-gálio, uma liga, com uma técnica chamada deposição por laser pulsado. A película fina que produz é uma parte do M3BOLT, um chip apresentado por investigadores da Universidade do Michigan (U-M) e da Universidade de Wisconsin–Madison. A equipa acredita que este chip poderá tornar os computadores 100 a 1 000 vezes mais rápidos.
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.
O problema começa no transístor. Um processador contém milhares de milhões deles, a ligar e desligar para tratar dados, e os fabricantes passaram décadas a reduzi-los para ganhar velocidade e poupar energia. Mas quanto mais pequenos ficam, menos eficientes se tornam: os eletrões atravessam-nos mesmo quando estão desligados, o que desperdiça energia. A equipa estima que os transístores convencionais possam atingir os seus limites teóricos de eficiência energética em 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.
O M3BOLT dispensa o interruptor. Os seus conceptores combinam um cristal ferroelétrico, niobato de magnésio e chumbo–titanato de chumbo (PMN-PT), com uma camada fina de liga magnética de ferro-gálio. Quando se aplica um campo elétrico, o cristal altera a sua orientação elétrica interna, o que modifica as propriedades magnéticas da camada de ferro-gálio. Isso produz magnões, ondas que se propagam no material com muito pouca resistência e, por isso, perdem menos energia sob a forma de calor. Essas ondas poderiam atingir frequências de terahertz, face aos gigahertz dos processadores de consumo atuais, razão pela qual a equipa afirma que os computadores poderiam processar informação centenas de vezes mais depressa.
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.
O dispositivo poderia também armazenar dados. Os investigadores alterariam a orientação magnética da camada de ferro-gálio, de modo que dois estados magnéticos pudessem valer 1 e 0, em vez dos dois níveis de tensão dos transístores atuais. Essa orientação mantém-se depois de o dispositivo ser desligado, pelo que o mesmo material poderia processar informação e conservá-la sem uma alimentação contínua. Estas continuam a ser projeções: os valores de 100 a 1 000 vezes são estimativas da equipa. O grupo da Universidade de Wisconsin–Madison utilizará simulações informáticas para estudar o desempenho e identificar possíveis defeitos nos materiais, enquanto a U-M continua a desenvolver os materiais, dispositivos e circuitos necessários para que a tecnologia funcione em computadores reais.
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.
Por agora, a equipa concentra-se em dispositivos de baixo consumo, afirmou Wei Lu, professor de engenharia na U-M. Um comunicado de imprensa da equipa defende que dispositivos autónomos ou móveis poderiam levar consigo computadores melhores sem fontes de alimentação enormes. A ambição a longo prazo é maior: «imaginem que um dia poderemos construir supercomputadores com eles», disse Lu. «Talvez não seja preciso uma central nuclear para pôr a funcionar um grande centro de dados.» A equipa não avança qualquer data para nada disto.