PDF Basket
Wszystkie komputery mają jeden wspólny mianownik – każdy z nich wykorzystuje technologię CMOS do wytwarzania półprzewodników, na których opierają się elementy elektroniczne przetwarzające i magazynujące dane. Dotychczas wzrost mocy obliczeniowej wiązał się z większą liczbą coraz mniejszych układów scalonych. Obecnie dochodzimy jednak do fizycznej granicy, która uniemożliwi dalsze zmniejszanie skali elektroniki, co wymusza na inżynierach bliższe przyjrzenie się alternatywnym koncepcjom i rozwiązaniom, które pozwolą zastąpić technologię CMOS.
Jedną z takich koncepcji są fale spinowe, natomiast projekt SWING skupiał się na wykorzystaniu ich potencjału obliczeniowego. „Nasz projekt stanowi odpowiedź na ograniczenia związane z jednym z głównych rozwiązań alternatywnych dla technologii CMOS – komputerów analogowych wykorzystujących fale optyczne. Tego rodzaju urządzenia zastępują sygnały cyfrowe analogowymi i wykorzystują zjawiska typowe dla fal, jednak charakteryzują się jedną poważną wadą: ich miniaturyzacja jest niezwykle trudna i ograniczona przez długość fali optycznej”, twierdzi Riccardo Bertacco, koordynator projektu SWING i profesor fizyki na Politecnico Milano.
Zastępując fale optyczne falami spinowymi, Bertacco i współpracujący z nim stypendysta działania „Maria Skłodowska-Curie” Edoardo Albisetti mają nadzieję na rozwiązanie tego problemu. Jak zauważa Albisetti: „Fale spinowe mają jedną wielką zaletę. Ich długość jest znacznie mniejsza niż w przypadku fal elektromagnetycznych i w przypadku częstotliwości gigahercowych wynosi kilkadziesiąt nanometrów, o rząd wielkości mniej niż w przypadku fal optycznych. Ta wyjątkowa właściwość pozwala na realizację zintegrowanych urządzeń w skali submikronowej, umożliwiających budowę komputerów falowych, całkowicie kompatybilnych z technologią CMOS”.
Fale spinowe na przekroju domen
Fale spinowe to – w najprostszym ujęciu – rozprzestrzeniające się zakłócenia w ustawieniu spinów występujących w materiałach magnetycznych. Co najważniejsze, poza wspomnianą wyjątkową cechą charakterystyczną, ich zachowanie jest zbliżone do fal elektromagnetycznych. Ich wzbudzenia magnetyczne mogą być wykorzystywane zarówno w celu realizacji obliczeń, jak i magazynowania danych – Albisetti z powodzeniem wykazał możliwość budowy platformy wykorzystującej ich właściwości na potrzeby komputerów analogowych.
„W ramach prac udało nam się zrealizować trzy kluczowe osiągnięcia”, wyjaśnia Albisetti. „Po pierwsze, udało nam się wykorzystać nową technikę nazywaną termicznie wspomaganą litografią magnetycznych sond skanujących (tam-SPL) w celu stworzenia magnonicznych bloków umożliwiających kontrolowanie fal spinowych. Następnie zademonstrowaliśmy użycie ścianek domenowych – linii oddzielających dwa elementy filii magnetycznej o zróżnicowanym jednorodnym namagnesowaniu – jako obwodów umożliwiających propagację oraz interakcję fal spinowych. W ramach naszych prac nad platformą obliczeń analogowych przeprowadziliśmy również testy ścianek domenowych o różnych kształtach (liniowych, wypukłych, wklęsłych itd.)”.
Albisetti opracował założenia techniki tam-SPL, która stanowi klucz do realizacji innych osiągnięć projektu, w ramach swojej 6-miesięcznej współpracy z Elisą Riedo na uniwersytecie Georgia Tech w Stanach Zjednoczonych, gdzie udał się w związku ze swoją pracą doktorską. Jak podkreśla Bertacco: „Projekt realizowany w ramach grantu z działania „Maria Skłodowska-Curie” powstał z myślą o dalszym wykorzystaniu efektów tej współpracy. Kiedy Riedo dołączyła do zespołu CUNY Advanced Science Research Centre, postanowiliśmy wykorzystać możliwości nowoczesnych urządzeń zainstalowanych w ośrodku, by kontynuować rozwój technologii tam-SPL. Chcemy także wykorzystać je do opracowania prototypowych urządzeń wykorzystujących fale spinowe w celu realizacji obliczeń falowych”.
Koncepcja projektu opierająca się na wykorzystaniu ścianek domenowych jako przewodów pozwalających na propagację fal spinowych oraz źródeł czół fal może pozwolić na budowę kompleksowych obwodów opartych na tego rodzaju ściankach. Dzięki temu mogą stanowić odpowiednik falowodów optycznych w zintegrowanych urządzeniach optycznych (rezonatorach, interferometrach itp.), a także pełnić rolę urządzeń przetwarzających sygnały analogowe (filtrów, analizatorów widma itp.) opartych na zakłóceniach czoła fali spinowej.
„Nasze wyniki otwierają drogę do zróżnicowanych możliwości – obecnie dopiero rozpoczynamy ich analizę”, podsumowuje Albisetti. „Skupiamy się przede wszystkim na dwóch interesujących wyzwaniach – badaniu interakcji fal spinowych z bardziej złożonymi teksturami spinowymi oraz rozszerzeniu możliwości zastosowania technologii tam-SPL w różnych układach magnetycznych, co może przełożyć się na nowe rozwiązania w dziedzinie spintroniki”.
Albisetti otrzymał niedawno od Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERBN) grant dla badaczy rozpoczynających niezależną karierę w związku z realizowanym projektem B3YOND, który skupi się na opracowaniu nowej koncepcji nanofabrykacji opartej na technologii tam-SPL.