Na IJS odkrili spominski element z rekordno hitrostjo

V priznani mednarodni reviji Nature Communications je izšel nov članek skupine za neravnovesno dinamiko Odseka za kompleksne snovi Instituta »Jožef Stefan« pod vodstvom prof. dr. Dragana Mihailovića.  Gre za dvojno odkritje: nove vrste spominskega elementa in rekordne hitrosti, ki je slovenskim raziskovalcem uspela kot prvim na svetu. Zdaj potrjeni električno krmiljeni spomin odpira pot do novih uporabnih rekordno hitrih spominov za nizkotemperaturne računalnike.

Članek opisuje električno krmiljenje nove vrste spominskega elementa z rekordno hitrostjo. Pri tem so se do zdaj raziskovalci srečevali z dvema problemoma: s premajhno hitrostjo spominskih elementov in s prevelikim gretjem superračunalnikov. Hitrost spominskih elementov je namreč danes največji omejitveni faktor hitrosti superračunalnikov, ki jih uporablja vsak od nas, ko brskamo po Googlu, Amazon-u, eBay-u itn. In prav pri teh računalnikih je problem počasnosti delovnega spomina zelo akuten.  Eksperimentalno delo, v katerem so ključno prispevali dr. Igor Vaskivskyi, Ian Mihailović in Damjan Svetin, prikazuje delovanje rekordno hitrega električno krmiljenega spominskega elementa, v katerem zapis traja le 40 pikosekund. Dosedanji svetovni rekord je imela ameriška skupina, njen uspeh je bil predstavljen  v reviji Science leta 2012. Skupina Instituta »Jožef Stefan« pa je njihov rekord izboljšala za približno 10 krat. Za primerjavo, današnji najhitrejši spomin zapiše podatkovni bit v 2000 pikosekundah.

Prav tako pomemben problem pa je tudi gretje tovrstnih superračunalnikov. Zato so ti po navadi locirani blizu izvirov hladne vode za hlajenje (npr. Norveška, Irska), pogosto pa so še dodatno hlajeni z utekočinjenimi plini. Prav zato je odkritje slovenskih raziskovalcev še posebej pomembno, saj novoodkriti spomin deluje pri nizkih temperaturah pod -70 C.

Objavljena naprava temelji na nedavno odkritem optičnem pojavu skritega kvantnega stanja iste skupine, objavljenega v reviji Science leta 2014, zdaj potrjeni električno krmiljeni spomin pa odpira pot do novih uporabnih rekordno hitrih spominov za nizkotemperaturne računalnike. Čeprav današnji procesorji še ne delujejo s tako hitrostjo, je novi spomin združljiv obstoječimi, saj sta arhitektura čipov in način uporabe podobna obstoječim memristorskim spominom, torej z današnjo elektroniko. Deluje pa enako dobro tudi počasneje, kar olajša razvoj tehnologije. Za demonstracijo rekordno hitrega zapisa pa je še vedno potreben laser, saj se zapis naredi posredno: 5 voltni električni sunek znanstveniki najprej generirajo z optičnim elementom, ta pa potem spremeni upor v  spominskem elementu in tako zapiše bit informacije.

O pomembnosti odkritja priča dejstvo, da je ameriška vlada (DoD) nedavno razpisala prioritetni raziskovalni program, ki eksplicitno temelji na tem odkritju. Bolj natančno, odkritje je navedeno kot prva referenca, na kateri naj bi temeljile prijave na projekte. Žal pa je bil razpis omejen na ameriške ustanove, zato slovenskim raziskovalcem ni dostopen.

Raziskave raziskovalcev Instituta »Jožef Stefan« so potekale v okviru projekta evropskega raziskovalnega sklada (ERC), ki je sicer namenjen izključno temeljnim raziskavam. V tem primeru pa se izrazito izkaže prav uporabnost temeljnih raziskav, ki so prevečkrat razumljene kot preveč znanstvene in zato odmaknjene od svoje uporabne vrednosti.

Prve eksperimente neravnovesnih pojavov na tem materialu je skupina za neravnovesno dinamiko Odseka za kompleksne snovi Instituta »Jožef Stefan« pričela izvajati že leta 2000, bolj intenzivno pa s pričetkom financiranja projekta evropskega raziskovalnega sveta (ERC) leta 2013, s čimer so lahko okrepili raziskovalno ekipo, česar iz domačih sredstev ne bi mogli, saj so se slovenska sredstva za raziskave v zadnjih letih močno zmanjšala.

Delo skupine je usmerjeno v raziskave neravnovesnih pojavov v kvantnih sistemih, še posebej v fazne prehode, ki potekajo pod neravnovesnimi pogoji v času. Raziskave se prepletajo z iskanjem novih materialov s posebnimi lastnostmi, še posebej superprevodniki in elektronsko urejenimi kristali. Eksperimentalne raziskave neravnovesnih kvantnih sistemov v skupini so vedno bolj povezane s kvantnim računalništvom.

Aktivna snov spominskega elementa je 50 nanometrov debel kristal tantalovega disulfida, ki je s pomočjo nanolitografije umeščen v posebnem, zelo hitrem mikrovalovnem vezju. Napravo za nanolitografijo izdeluje slovensko podjetje LPKF iz Naklega. Za demonstracijo rekordno hitrega zapisa pa je še vedno potreben laser, saj se zapis naredi posredno: 5 voltni električni sunek znanstveniki najprej generirajo z optičnim elementom, ta pa potem spremeni upor v  spominskem elementu in tako zapiše bit informacije.

S tem, ko se računalniški elementi nenehno manjšajo, se njihovo gostota povečuje in s tem tudi disipacija na prostorsko enoto. Današnji procesorji v potrošni elektroniki, npr. v prenosnikih delujejo na meji pregrevanja, pogosto celo do 70 stopinj celzija.

Doslej ni nobene tehnologije spomina, ki bi delovala pri nizkih temperaturah, kar je bila resna omejitev za razvoj nizkotemperaturnih superračunalnikov.

Foto: IJS