Платформа для развития наноэлектроники и квантовых процессоров

Дата публикации: 14 апреля 2020

Ученые Школы естественных наук Дальневосточного федерального университета (ШЕН ДВФУ) вместе с коллегами из Китайской академии наук разработали микроструктуру из платины, кобальта и оксида магния, которая способна работать в режиме троичной логики («да» — «нет» — «не знаю»). На ее основе можно будет строить миниатюрные устройства электроники и спинтроники, квантовые процессоры, оперирующие кутритами (три состояния в отличие от кубитов) и нейроморфные системы, имитирующие функционал человеческого мозга, сообщает пресс-служба ДВФУ. Статья об этом опубликована в Physical Review Applied.

Современные процессоры потребляют много энергии, физически отделены от ячеек памяти, а их эффективность ограничена двоичной логикой («1» — «0», «включен» — «выключен»). Это три главных причины, которые препятствуют дальнейшему развитию вычислительной техники по пути миниатюризации и быстродействия.

В рамках совместного проекта Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и Китайской академии наук ученые ШЕН ДВФУ разработали крестообразную микроструктуру, которая состоит из нанометровых слоев платины, кобальта (всего 0.8 нм), оксида магния и покрывающего слоя платины.

Такая структура может быть и процессором, и блоком памяти одновременно, что способствует миниатюризации устройств, реализованных на ее платформе: работающих на троичной логике устройств электроники и спинтроники (электроники, функционирующей на спиновом токе), в том числе квантовых процессоров, оперирующих кутритами (три состояния в отличие от кубитов), и нейроморфных систем, имитирующих функционал головного мозга.

«Благодаря определенной последовательности слоев и переключению спинов электронов в нижнем слое платины мы смогли эффективно управлять тремя магнитными состояниями в слое кобальта, которые соответствуют основным позициям троичной логики («– 1», «1» и «0» или «да» — «нет» — «не знаю»). Троичная логика (логика Аристотеля) намного превосходит двоичную, булеву логику («0» — «1»). Принципы троичной логики могут лечь в основу «умных» вычислительных машин недалекого будущего. Эти устройства будут обладать более высокой скоростью работы, длительным сроком жизни и низким энергопотреблением по сравнению с устройствами, реализованными на других принципах», — рассказал руководитель проекта с российской стороны, доцент кафедры компьютерных систем Школы естественных наук ДВФУ Александр Самардак.

Ученый объяснил, что в исследовании обозначена лишь вершина айсберга, и на пути к реальным устройствам спинтроники и нейроморфным системам на основе троичной логики требуется приложить еще много усилий.

Во-первых, нужно избавиться от постоянного магнитного поля, которое применяется для нарушения магнитной симметрии. Во-вторых, нужно уменьшить размер ячейки до 100-200 нм, чтобы реализовать высокую плотность упаковки элементов на микросхеме. В-третьих, нужно решить задачу по точному считыванию состояния магнитного слоя, для чего нужны высокочувствительные сенсоры, работающие на основе эффекта туннельного магнитосопротивления.

При этом ученый отметил любопытный факт, что первая ЭВМ на троичной логике была разработана в СССР еще в начале 60-х годов XX века. Проект назывался «Сетунь» и был реализован научной группой под руководством профессора Н.П. Брусенцова (МГУ имени М.В. Ломоносова). Однако ЭВМ «Сетунь» не получила широкого признания, несмотря на ряд преимуществ перед машинами, которые работали на основе двоичной логики (Булева логика).

Научная группа из лаборатории пленочных технологий Школы естественных наук ДВФУ уже 8 лет сотрудничает с коллегами из Китайской академии наук, которые лидируют в области получения и изучения тонкопленочных систем для спинтроники. За это время ученые реализовали несколько совместных проектов по магнитным сенсорам и наноразмерным спиновым системам.

Поделиться: