И все-таки они вертятся!

Массовое сознание легко позволяет убеждать себя в том, что ценность компьютера равнозначна скорости процессора, ну, на худой конец, объему оперативной памяти. И никто не желает касаться грустных моментов...

Массовое сознание легко позволяет убеждать себя в том, что ценность компьютера равнозначна скорости процессора, ну, на худой конец, объему оперативной памяти. И никто не желает касаться грустных моментов: компьютеры долго загружаются, не могут мгновенно сохранять и восстанавливать рабочее состояние. А уж что может случиться при внезапном сбое питания - лучше и не думать!

Сегодняшнюю тему предопределило мое упоминание о спинтронике в колонке «XXI», опубликованной в «КТ» #374-375. От любознательности благодарных читателей уйти невозможно. Хотя, должен признаться, достоинства и недостатки компьютеров небезразличны и мне самому. Именно спинтроника (spintronics) дает решения упомянутых в преамбуле и многих других проблем.

Термин «spintronics» относительно нов, но идеи, стоящие за ним, далеко не новы. Радиационно-устойчивая емкая быстродействующая постоянная память уже лет пять считается приоритетным направлением для разработки в ряде космических и стратегических программ агентства DARPA. Там уверены, что спинтроника (Spin Transport Electronics - так термин определяют в DARPA) позволит создавать память и сенсоры на основе эффектов GMR (Giant Magneto-Resistance) и SDT (Spin Dependent Tunneling) в многослойных структурах магнитных и немагнитных материалов.

Вероятно, первым публичным сообщением о спинтронике стал совместный пресс-релиз Bell Labs и Йельского университета, датированный 30 июля 1998 года. В нем говорилось о планах сторон сделать атом материальной единицей хранения информации - где биты будут представлены спинами электронов.

Элементарные частицы, которые мы называем электронами, обладают, в частности, зарядом и спином. В традиционной электронике используется только заряд. Описать спин простыми словами довольно трудно. Например, в российском энциклопедическом словаре дается такое определение: «собственный момент количества движения микрочастицы, имеющий квантовую природу и не связанный с движением частицы как целого; измеряется в единицах постоянной Планка h и может быть целым (0, 1, 2, …) или полуцелым (1/2, 3/2, …)». Ну как, яснее стало? Не важно! Это определение помогает понять самое главное: если есть квантование электронного спина, то есть и возможность дискретно менять состояния, хотя бы по экзотической шкале измерений Планка, значит, есть возможность представления дискретной информации. Вообще говоря, свойство магнетизма проявляется как согласованные значения спинов микрочастиц в материальном массиве.

Ну а теперь - ближе к этому самому материальному телу. В наши дни большая часть информации хранится именно на магнитных носителях. Индустрия магнитных носителей - от магнитофонных кассет и видеолент до пластин жестких дисков - ежегодно выпускает продукции примерно на 150 млрд. долларов (по оценке Аргоннских национальных лабораторий Министерства энергетики США).

Ключевыми компонентами ПК традиционно являются жесткий диск для постоянного хранения информации, оперативная память или же память с произвольным доступом (Random Access Memory - RAM) и центральный процессор - устройство исполнения «логики». Рассматривать всякого рода прибамбасы типа кэш-памяти и спецпроцессоров в данном случае не имеет смысла.

Важно другое: процессор и оперативная память основаны на привычной электронике, то есть на управлении зарядами электронов, а в постоянном хранилище памяти, на жестком диске, использованы магнитные свойства материалов. В последнее время речь идет ни больше ни меньше как о замене электронных процессоров и оперативной памяти устройствами, основанными на использовании эффекта спина.

Десятки крупнейших компаний, среди которых IBM, Motorola, Hewlett-Packard, а также новички вроде Integrated Magnetoelectronics работают над прототипами магнитной оперативной памяти (Magnetic Random Access Memory - MRAM (см. «КТ» ##355, 376). Новые чипы будут обладать свойствами, которые трудно представить: очень малым потреблением энергии, высочайшим быстродействием и гигантской плотностью хранения данных.

Исследователи ныне сосредоточены на технологиях MRAM, использующих эффект «перехода в магнитных туннелях» (Magnetic Tunnel Junctions - MTJ; SDT - то же самое), то есть на квантовых явлениях перехода электронов из одного магнитного слоя в другой, и соответственно в записи и считывании битов данных.

Надо заметить, что первое работающее устройство MTJ было создано пять лет назад в Массачусетском технологическом институте физиками Джагадишем Мудерой (Jagadeesh Moodera) и Робертом Месерви (Robert Meservey).

Еще в 1997 году агентство DARPA израсходовало на спинтронику 50 млн. долларов. В сентябре 2000 года DARPA выделило 10 млн. долларов для консорциума девяти научных учреждений, которые должны были разработать магнитные полупроводники для спинтронной нанотехники. Прежде всего речь идет об исследованиях ферромагнитных гетероструктур вида {In(Mn)As/Ga(Mn)Sb/A1(Mn)Sb}. В консорциум входят: Университет в Буффало, Университет в Нотр-Дам, Вюрцбургский университет (Германия), Университет Индианы, Университет Техаса в Остине, Лаборатория морских исследований США, Университет Северной Каролины, Университет Вандербильта и Ворчестерский политехнический институт. Консорциум получил примерно 10% целевых средств, выделенных DARPA на исследования и разработку спинтроники в 2001 году.

Одна из грандиозных идей: спинтроника позволит почти полностью отказаться от концепций параллелизма процессов и мультипроцессорности. Суть в том, что, несмотря на постоянный рост производительности, электронные процессоры остаются, по большому счету, одним «железом». Но они перестанут быть таковым, когда каждый из процессоров можно будет полностью переконфигурировать на уровне архитектуры (исполняемых команд) для решения конкретного класса задач. Более того, нет ничего невозможного в том, что логика магнитных процессоров будет конфигурироваться динамически, в реальном времени, в соответствии с решаемой задачей или же с «состоянием окружающей среды».

Сочетание конфигурируемых процессоров и практически неограниченных объемов RAM, высочайшей плотности хранения информации и отличных термохарактеристик (ферромагнетики, перемежаемые слоями изолятора, прекрасно рассеивают тепло) позволит построить карманный компьютер без движущихся деталей, сравнимый по мощности с современными суперкомпьютерами, но лишенный их недостатков.

Руководитель проектов спинтроники из DARPA доктор Стюарт Вулф (Stuart Wolf) полон энтузиазма: «целый компьютер на основе электронных спинов - вот это идея, вот это проект!» По его мнению, такие компьютеры будут не менее чем на три порядка быстрее самых быстрых нынешних, во столько же раз экономичнее и, наверное, в тысячу раз меньше.

Разработки займут еще лет двадцать. А что потом? Вулф отвечает: потом наступит время спинтронных наноустройств, основанных на управлении спинами отдельных электронов. О том, что будет еще дальше, доктор Вулф гадать не намерен.

[i37920]