Computers slaan en verwerken gegevens normaal gesproken in afzonderlijke modules. Maar nu hebben onderzoekers van ETH Zürich en het Paul Scherrer Instituut een methode ontwikkeld waarmee logische bewerkingen direct binnen een geheugenelement kunnen worden uitgevoerd.

Iedereen die ooit per ongeluk de stekker van een desktopcomputer heeft uitgetrokken, herinnert zich het pijnlijke moment waarop ze zich realiseerden dat niet-opgeslagen informatie voor altijd verloren was. Computers maken namelijk een duidelijk onderscheid tussen rekentaken en gegevensopslag. De gegevens die de computer momenteel gebruikt, worden opgeslagen in het hoofdgeheugen, die - net als de CPU van de computer - vertrouwt op stroomgestuurde transistors. Dit betekent dat het hoofdgeheugen "vluchtig" is:zodra de stroom uitvalt, zo ook de gegevens. Software, afbeeldingen, video's en andere gegevens die langdurige opslag vereisen, worden opgeslagen in niet-vluchtig geheugen, zoals flashgeheugen of een magnetische schijf, van waaruit ze naar behoefte in het hoofdgeheugen kunnen worden geladen.

Onder leiding van Pietro Gambardella en Laura Heyderman, een team van wetenschappers van ETH Zürich en het Paul Scherrer Institute (PSI) hoopt nu een revolutie teweeg te brengen in dit decennia-oude principe. Hun doel is om een ​​snelle, niet-vluchtig geheugensysteem dat ook logische bewerkingen op de gegevens kan uitvoeren, zoals NIET, OF en EN. Ze bereikten onlangs een belangrijke mijlpaal op die reis, die werd beschreven in een artikel in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur .

Snel circuitgeheugen

Onderzoekers werken al een aantal jaren aan de ontwikkeling van magnetisch circuitgeheugen. Dit nieuwe type geheugen is veel sneller dan traditionele harde schijven waarbij een lees-/schrijfkop mechanisch naar een bepaald gebied van het schijfoppervlak moet worden verplaatst. In tegenstelling tot, racetrack-geheugenelementen werken door stroompulsen te gebruiken om kleine magnetische regio's te verplaatsen, of domeinen, op en neer nanodraden die slechts een paar honderd nanometer dik zijn. In deze domeinen alle magnetische momenten - zoals kleine kompasnaalden die verband houden met de atomen van het materiaal - zijn in dezelfde richting georiënteerd en kunnen dus worden gebruikt om de binaire toestanden 0 en 1 weer te geven. Door de noodzaak voor de mechanische beweging van een lees-/schrijfkop te elimineren, racetrack-geheugen biedt veel snellere toegangstijden dan traditionele harde schijven. Hoe dan ook, zelfs gegevens die op deze manier zijn opgeslagen, zouden normaal gesproken in het hoofdgeheugen moeten worden geladen om te worden verwerkt.

"Wat we nu hebben kunnen doen, is om logische bewerkingen rechtstreeks uit te voeren binnen dit soort geheugenelement, " zegt Zhaochu Luo, de postdoc-onderzoeker die het project vooruit heeft geholpen. Computers gebruiken logische bewerkingen om gegevens te verwerken. Bijvoorbeeld, de logische operator NIET inverteert een beetje, het veranderen van de waarde van 0 naar 1 of vice versa. Normaal gesproken wordt deze bewerking uitgevoerd in het hoofdgeheugen, waarbij de gegevens worden gelezen van en herschreven naar de magnetische harde schijf, maar daar niet direct worden verwerkt.

Een merkwaardige interactie

“Onze methode werkt anders, " zegt Pietro Gambardella. "We gebruiken een elektrische stroom om de polariteit van de magnetische gebieden om te keren, waardoor een NIET-bewerking wordt uitgevoerd op de opgeslagen gegevens. We doen dit door gebruik te maken van een nogal eigenaardige uitwisselingsinteractie die optreedt wanneer we een magnetische kobaltfilm op een platinalaag afzetten." Als gevolg van deze interactie, de magnetische momenten zijn noch parallel noch antiparallel aan elkaar, zoals normaal het geval zou zijn. In plaats daarvan, door de aanwezigheid van de platinalaag, de interactie zorgt ervoor dat de magnetische momenten in aangrenzende domeinen loodrecht op elkaar worden uitgelijnd. "Het is bijna alsof een kompasnaald plotseling naar het oosten wijst in plaats van naar het noorden, ' zegt Gambardella.

Deze loodrechte uitlijning van de magnetische momenten leidt ook tot een voorkeurszin van rotatie van de magnetisatie tussen het ene domein en het volgende, vergelijkbaar met hoe een kurkentrekker in een bepaalde richting draait. Dus als er nu een stroompuls door de platinalaag gaat, de stromende elektronen veranderen geleidelijk de polariteit van de atomaire "kompasnaalden" in de magnetische kobaltlaag. Dit verplaatst de informatie die in de magnetisatie is gecodeerd en creëert een reizend magnetisch domein. Vervolgens, op vooraf gedefinieerde locaties waar de loodrechte interactie sterk is, de richting van de magnetisatie in het reizende domein is omgekeerd. Dit komt precies overeen met een logische NIET-bewerking.

Het is mogelijk om dergelijke operaties te combineren in verschillende racetrack-geheugenelementen, waardoor andere logische bewerkingen zoals AND, OF en NAND. Deze kunnen worden samengevoegd tot complexere circuits, bijvoorbeeld om twee getallen bij elkaar op te tellen (zie afbeelding). Maar, in tegenstelling tot conventionele circuits op basis van halfgeleiders waarin elke transistor zijn eigen voeding nodig heeft, de nieuwe racetrack-geheugencircuits hoeven alleen aan de in- en uitgang van stroom te worden voorzien.

Gebruik in het internet der dingen

"In eerste instantie Ik zie onze technologie vooral gebruikt worden in microprocessors met een lage rekenkracht, " legt Gambardella uit. Een voorbeeld dat in de wereld van vandaag bijzonder relevant is, is het internet der dingen, waarin allerlei apparaten en sensoren direct met elkaar communiceren. De computers in dit soort apparaten moeten "instant-on"-mogelijkheden bieden - wat betekent dat ze onmiddellijk kunnen worden gebruikt zonder de vertraging van het uploaden van een besturingssysteem - en een laag energieverbruik. Een technologie die magnetisch geheugen en logische bewerkingen combineert, zou ideaal zijn voor deze toepassing.

In principe, zegt Gambardella, er staat niets in de weg om grotere computers op dezelfde manier te bedienen. Maar in de praktijk, hij bekent, dit zal waarschijnlijk niet snel gebeuren:"Het optimaliseren van de materialen en productieprocessen voor dit doel is een zeer dure aangelegenheid voor chipmakers, dus het is te vroeg om te zeggen of onze technologie de conventionele halfgeleidertechnologie kan vervangen." hij betoogt, deze nieuwe benadering is zeker interessant genoeg om nader onderzoek te rechtvaardigen om te ontdekken hoe ver het kan gaan. De onderzoekers hebben al patent aangevraagd, dus misschien zullen we uiteindelijk eindigen met een computer waarmee we de stekker eruit kunnen trekken zonder ons zorgen te maken over het verliezen van gegevens.