Прорыв в Японии: новый чип на световых импульсах ускорит компьютеры в 25 раз без перегрева

Исследователи из Японии создали устройство, которое обещает повысить скорость обработки данных компьютерами без выделения огромного количества дополнительного тепла.

Два главных ограничения в высокопроизводительных вычислениях, особенно для процессоров, используемых в дата-центрах, — это дорогостоящие затраты энергии и огромное количество отводимого тепла. Как правило, чем быстрее работает процессор, тем больше тепла он выделяет. Этот принцип применим как к самым большим, так и к самым маленьким машинам: большинство людей знакомы со звуком вращающихся вентиляторов, охлаждающих компоненты, когда компьютер выполняет особо сложную функцию. В облачных дата-центрах, между тем, могут стоять десятки тысяч серверов, каждый из которых генерирует огромное количество тепла от своих процессоров.

Но новое устройство, названное «нелетучим переключающим элементом», способно к быстрой обработке без проблемного тепловыделения, которое обычно ассоциируется с высокой скоростью, как обнаружили учёные. Это устройство может обработать один бит — наименьшую единицу информации, представляемую как «1» или «0» — всего за 40 пикосекунд (40 триллионных долей секунды). Для сравнения: обычные чипы с трудом обрабатывают бит менее чем за наносекунду (миллиардную долю секунды). В новом исследовании, опубликованном 14 мая в журнале Science, учёные продемонстрировали, что сверхнизкое энергопотребление в пикосекундном диапазоне достижимо.

Как это работает: используя силу света

Исследователи построили этот нелетучий переключающий элемент из ультратонких слоёв тантала (Ta) и Mn₃Sn на кремниевой подложке. Они выбрали тантал — тугоплавкий металл, который может накапливать и отдавать электричество, и Mn₃Sn из-за его антиферромагнитных свойств: он обладает стабильными магнитными характеристиками и устойчив к помехам от внешних магнитных полей. Затем они использовали ультрабыстрый генератор импульсов для управления быстрыми импульсами света — до 60 пикосекунд на импульс — в стандартном диапазоне длин волн связи. Каждый импульс света проходил через высокоскоростной фотодетектор, называемый униполярным фототранзистором (UTD-PD).

Когда нелетучий переключающий элемент получал импульсы от UTD-PD, спины электронов в материале менялись, и учёные регистрировали крошечную магнитную силу. В лабораторных испытаниях устройство работало стабильно и надёжно, выполнив более миллиарда переключений, что доказывает его внутреннюю устойчивость. Более того, процесс не требовал непрерывного потока электричества для поддержания магнитной информации.

Минимизация отходящего тепла

Самое главное — обработка генерировала минимальное дополнительное тепло по сравнению с обычными компьютерными процессорами. Таким образом, нелетучий переключающий элемент позволяет обойти проблему высокоскоростной обработки, работая в режиме, который не производит огромного количества тепла.

Учёные отметили в исследовании, что отходящее тепло в настоящее время является серьёзным препятствием для масштабирования вычислительной мощности дата-центров, и это устройство может устранить это ограничение. Благодаря низкому энергопотреблению и низкой тепловой генерации нелетучий переключающий элемент может кардинально сократить энергозатраты процессоров.

Препятствия и взгляд в будущее

Однако производство достаточного количества таких устройств, чтобы повлиять на индустрию, может создать дополнительные трудности. Тантал — редкий металл, который уже пользуется высоким спросом (он используется в конденсаторах для смартфонов и ноутбуков), поэтому возможны проблемы с поставками. Кроме того, устройство необходимо будет протестировать вне лабораторных условий, где внешние факторы (температурные колебания, вибрации, электромагнитные помехи) могут повлиять на результаты.

Учёные заявляют, что после успешной лабораторной демонстрации прототип чипа может быть готов к 2030 году. Исследователи полагают, что дальнейшее уменьшение толщины слоя Mn₃Sn позволит ещё больше снизить энергопотребление. Следующей задачей, добавляют они, станет разработка коммерчески жизнеспособного процесса массового производства, способного создавать такие устройства в промышленных масштабах.

Что это значит для обычного пользователя? Если технология выйдет на рынок, мы можем увидеть ноутбуки, которые не требуют массивных систем охлаждения и работают от батареи в несколько раз дольше, а также дата-центры, которые потребляют значительно меньше электроэнергии и не нуждаются в огромных системах кондиционирования. Это также открывает путь к созданию ещё более мощных суперкомпьютеров, которые сегодня упираются в физический предел отвода тепла. По сути, японские исследователи предложили не просто более быстрый, а принципиально иной подход к вычислениям — где скорость больше не равна температуре.