Budoucnost elektroniky: čeští vědci stojí za revolučním čipem, který nemá ve světě obdoby

  • Čeští vědci pod vedením Tomáše Jungwirtha vyvíjí nový typ revolučního paměťového čipu
  • Zatímco v současnosti elektronika pracuje s elektrony, v budoucnu to budou spiny elektronů
  • Čipy budou moci být klidně i 1 000x rychlejší a úspornější
Budoucnost elektroniky: čeští vědci stojí za revolučním čipem, který nemá ve světě obdoby
Kapitoly článku

Spin elektronu jako budoucnost

Jakým způsobem dál v hardwaru? „Elektron je jediný možný, protože se pohybuje v atomu a to se bavíme pouze o elektronech, které jsou v horních slupkách s energiemi kolem voltu nebo elektronvoltu. To znamená, že můžete mít klasickou baterii a můžete s tím něco udělat. Pokud bychom šli do elektronů, které jsou dokonce blíže k atomovému jádru, tak se najednou dostaneme k desítkám nebo stovkám voltů či dokonce ke kilovoltům. V takovém případě už nelze uvažovat o nasazení v nějakém mobilním zařízení.

Klepněte pro větší obrázek
Základní schéma antiferomagnetické paměti využívající elektrického proudu pro čtení. Atomy se chovají jako cívky

Jestliže se podíváme na elementární částice, které jsou uvnitř atomového jádra, tak to už jsou megavolty, na což už potřebujete jadernou elektrárnu, abyste takové zařízení mohli rozchodit. Jestliže se tedy bavíme o spotřební elektronice, vždy se bavíme o horních elektronových slupkách.“ upřesnil Tomáš Jungwirth.

V současné době se v rámci elektroniky používá pouze jediná vlastnost elektronu – jeho elektrický náboj. Pomocí elektrického pole ho tak lze posouvat sem a tam, což je princip funkce tranzistoru (zaplňování a vyprázdnění kanálu tranzistoru, čímž se tvoří jednička nebo nula).

Elektron má ale i další důležitou vlastnost – spin. „Nejjednodušeji by se to dalo popsat jako magnetický moment. Magnetické látky se vyznačují právě tím, že mají spiny stejným směrem, čímž se jejich účinek a dosah zvyšuje. Myšlenka spintroniky je tedy taková, že bychom dále používali elektrony, ale nikoli pouze jejich náboje, ale také (nebo pouze) jejich spiny.

Z minulosti i současnosti máme vyzkoušeno, že se velmi dobře permanentně ukládají data do magnetických materiálů (páska, pevný disk). Nabízela se tak otázka, zda lze k tomu přidat i rychlost, která byla u magnetických pamětí nízká, protože spoléhaly na mechanickou konstrukci.“

Složité začátky

„Základní funkce v podobě čtení (pomocí měření elektrického odporu v součástce lze detekovat směr magnetizace) byla vyvinutá už v roce 1988, kdy Albert Fert a Peter Grunberg zveřejnili efekt gigantické magnetorezistence. Zápis byl těžší, od prvních součástech vyrobených od roku 2006 se používala fyzika minulého století – uvnitř čipu se vygenerovalo magnetické pole. V daném integrovaném obvodu se tak nacházely miniaturní cívky, které generují částečně lokální magnetické pole okolo bitu a přepíší ho. Zápis je ale stále problémový, protože magnetické pole nelze stále efektivně lokalizovat na jeden bit a může začít přepisovat i ty okolní. To pochopitelně omezuje případnou integraci, respektive hustotu takových čipů.

Dalším problém tohoto zastaralého řešení je škálovatelnost zápisu - k vytvoření daného magnetického pole potřebujete určitou velikost proudu. Se zmenšováním součástky a zmenšováním drátků (spojů) mezi jednotlivými prvky je nutné přenášet stále stejně velký proud, což je neškálovatelné. Vše se tak dotáhlo do magnetických pamětí, které mají kapacitu kolem 1 MB.

V roce 1998 se ale objevil další jev, díky kterému se dá přepsat feromagnetická paměť pouze krátkým proudovým impulzem a není to přes magnetické pole. Teprve nyní v roce 2018 se objevují na trhu paměti, které už tento „nový“ jev využívají a v plánu jsou už paměti s kapacitou v řádu gigabajtů. Zvýšila se sice i rychlost, ale stále jsme někde na úrovni DRAM (operační paměť).

České mozky nastupují

Feromagnety známe přibližně tři tisíce let a antiferomagnety byly objevné už v 30. letech minulého století. Původně se myslelo, že nejsou prakticky využitelné, ale teprve nedávno se tento pohled změnil. Problém byl, že antiferomagnety negenerují žádné magnetické pole ani je nelze magnetickým polem ovlivnit. To je přesně opak, co chceme například u pevného disku. Dlouho se tak nevědělo, jak číst nebo zapisovat. Mezi antiferomagnety patří například chrom, mangan nebo jiné směsné krystaly typu nikl-oxid a další. Antiferomagnetů je obrovské množství a z pohledu chemie není problém s výběrem.

Klepněte pro větší obrázek
Antiferomagnetické uspořádání

Naše práce z roku 2016 ukázala, že je možné spiny číst i zapsat a později jsme také vyrobili i demonstrační čip. Náš princip dokáže pomocí relativně běžného proudového pulzu vytvořit virtuální cívky kolem každého atomu.“

Pokud jde o rychlost, respektive odezvu, u feromagnetické paměti (přemagnetování) je v oblasti nanosekund (cache procesoru), což je akorát pro dnešní elektroniku (GHz). V případě antiferomagnetů je rychlost přemagnetizování mnohem vyšší – v pikosekundách, což odpovídá terahertzům (THz). Umožňuje to právě samotná fyzikální struktura.

„V laboratoři jsme si vyzkoušeli, že náš čip zvládne přepisovat i pulz o délce jedné pikosekundy, stejně jednoduše jako nanosekundové a mikrosekundové pulzy. Máme už dnes paměť, která pracuje tisíckrát rychleji, než cokoli co je dnes na trhu. Plánujeme testovat limity, protože tento druh paměti by mohl fungovat třeba i s pulzy o délce jen ve stovkách femtosekund. Vše si přitom vyrábíme tady a případná větší integrace je otázkou spíše pro inženýry a známé osvědčené postupy při výrobě čipů. Magnetické bity mají jednoduchou konstrukci jako třeba bity v cache paměti, ale udržíte v nich data jako u složitých bitů v SSD.“

Klepněte pro větší obrázek
Detail demonstračního antiferomagnetického paměťového čipu

Tým si musí paralelně s tím vyvíjet i vlastní metody a nástroje pro měření vlastností materiálu, což přidává na množství práce, která je nutná k dosažení pokročilejšího cíle. Optimalizace použitého materiálu je totiž velmi důležitá pro finální použití, například z pohledu teplotní výdrže a podobně.

Už současný prototyp má spotřebu na úrovni paměti SRAM, takže vlastně startuje již na té nejlepší úrovni, kterou elektronika používá. I to je důvod, proč je možné prototyp snadno používat přes USB v notebooku.

Může fungovat i analogově

Poměrně velkou zajímavostí, kterou čeští vědci při testování vyvinutého čipu připojeného jednoduše přes USB do notebooku zjistili, že paměť nefunguje pouze digitálně – zapíše se jednička nebo nula, ale i analogově. Když se totiž do paměti pošle za sebou několik pulzů reprezentující třeba jedničku, tak lze uložit a přečíst „tři různé jedničky“.

Klepněte pro větší obrázek
Prototyp čipu se nachází na běžné elektronické desce, díky které se připojuje přes USB do počítače, kde běží speciální software pro ovládání a testování čipu

Jedna výhoda je, že vytvořená oblast reprezentující jeden bit má větší kapacitu – lze zapsat více informací. Zároveň může fungovat nejen jako paměť, ale i jako logická součástka. Pulzy lze totiž spočítat a tím pádem vytvořit logickou operaci a celý logický obvod. Taková součástka také snadno reprezentuje synapsi v mozku, u které se mění odpor spojitě. Právě neuročipové použití je oblast, na kterou se tým Tomáše Jungwirtha zaměřuje.

Témata článku: Věda, Technologie, Výzkum, Rozhovory, Intel, Paměti, SSD, Samsung, USB, Atom, Mobilní zařízení, Současný prototyp, Operační paměť, Základní funkce, Vzdálená budoucnost, Čeští vědci, Současná doba, Vyrobený čip, Klasická baterie, Stejný vývoj, Stejný směr, Puls, Magnetická paměť, Velký proud, Nový objev


Určitě si přečtěte

Rekordy počasí: V Česku to ještě jde, skutečné extrémy zažívají jinde

Rekordy počasí: V Česku to ještě jde, skutečné extrémy zažívají jinde

** Teplotní extrémy dokážou překvapit. Seznamte se s rekordy v Česku i ve světě ** Rekordní hodnoty jsou mnohdy až k neuvěření ** Zjistěte, kdy ke bylo největší horko, zima, déšť či vítr

Karel Kilián | 7

Porno insider: Jak virtuální realita vstupuje do filmů pro dospělé

Porno insider: Jak virtuální realita vstupuje do filmů pro dospělé

** Pornografie údajně představuje třetinu internetové obsahu a je technologický tahounem ** Do erotického obsahu postupně zasahuje i virtuální realita ** Kromě vizuálního vjemu se pracuje také na virtuálním uspokojení toho hmatového

Jan Dudek | 28

Portál občana už funguje. Na státní web vypadá až překvapivě použitelně

Portál občana už funguje. Na státní web vypadá až překvapivě použitelně

** Portál občana už funguje, vyřídíte na něm první požadavky ** Funkce se budou postupně rozšiřovat ** Web je docela moderní a přehledný

David Polesný | 65

Šmírovačka kamerami Googlu: Koukněte se, co nového zachytily na Street View

Šmírovačka kamerami Googlu: Koukněte se, co nového zachytily na Street View

Google stále fotí celý svět do své služby Street View. A novodobou zábavou je hledat v mapách Googlu vtipné záběry. Podívejte se na výběr nejlepších!

redakce | 44


Aktuální číslo časopisu Computer

Velký test 18 bezdrátových sluchátek

Vše o přechodu na DVB-T2

Procesory AMD opět porážejí Intel

7 NVMe M.2 SSD v přímém souboji