Computación energéticamente eficiente con pequeños vórtices magnéticos

Esquema tridimensional del dispositivo. La estructura de la pila se muestra en el círculo inferior. Adjuntos están los contactos de cromo/oro, en los que se puede aplicar potencial positivo, negativo o nulo. Los valores de entrada utilizados para la presente demostración de lógica booleana están resaltados en rojo. El punto gris oscuro en el triángulo representa un skyrmion como se muestra en nuestras grabaciones de microscopía de efecto Kerr magneto-óptico (MOKE). Aquí, se empuja hacia la esquina inferior derecha (las líneas amarillas representan esquemáticamente el flujo de corriente). El recuadro de la derecha muestra la estructura de giro esquemática de un skyrmion tipo Néel. Nota: Recuadro adaptado del original de Karin Everschor-Sitte y Matthias Sitte, que tiene licencia Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported (CC BY-SA 3.0). Crédito: Comunicaciones de la naturaleza (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-34309-2

Un gran porcentaje de la energía utilizada hoy en día se consume en forma de energía eléctrica para procesar y almacenar datos y para hacer funcionar los equipos y dispositivos terminales pertinentes. Según las predicciones, el nivel de energía utilizada para estos fines aumentará aún más en el futuro. Los conceptos innovadores, como la computación neuromórfica, emplean enfoques de ahorro de energía para resolver este problema.

En un proyecto conjunto llevado a cabo por físicos experimentales y teóricos de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU), ahora se ha realizado un enfoque de este tipo, conocido como computación de reservorios brownianos. Los resultados también se presentaron recientemente como Destacados de los editores en la sección Dispositivos de la revista. Comunicaciones de la naturaleza.

La computación browniana utiliza energía térmica ambiental

La computación de yacimientos brownianos es una combinación de dos métodos de computación no convencionales. La computación browniana explota el hecho de que los procesos informáticos normalmente se ejecutan a temperatura ambiente, de modo que existe la opción de utilizar la energía térmica circundante y, por lo tanto, reducir el consumo de electricidad.

La energía térmica utilizada en el sistema de cómputo es básicamente el movimiento aleatorio de partículas, conocido como movimiento browniano; lo que explica el nombre de este método de cálculo.

La computación de reservorios es ideal para un procesamiento de datos excepcionalmente eficiente

La computación de reservorio utiliza la respuesta compleja de un sistema físico a los estímulos externos, lo que da como resultado una forma extremadamente eficiente de procesamiento de datos. La mayor parte del cálculo lo realiza el propio sistema, que no requiere energía adicional. Además, este tipo de computadora de yacimiento se puede personalizar fácilmente para realizar diversas tareas, ya que no es necesario ajustar el sistema de estado sólido para satisfacer requisitos específicos.

Un equipo encabezado por el profesor Mathias Kläui del Instituto de Física de la Universidad de Mainz, con el apoyo del profesor Johan Mentink de la Universidad Radboud Nijmegen en los Países Bajos, ha logrado desarrollar un prototipo que combina estos dos métodos informáticos. Este prototipo es capaz de realizar operaciones de lógica booleana, que pueden utilizarse como pruebas estándar para la validación de la computación de yacimientos.

El sistema de estado sólido seleccionado en este caso consiste en películas delgadas metálicas que exhiben skyrmions magnéticos. Estos vórtices magnéticos se comportan como partículas y pueden ser impulsados ​​por corrientes eléctricas. El comportamiento de los skyrmions está influenciado no solo por la corriente aplicada sino también por su propio movimiento browniano. Este movimiento browniano de skyrmions puede generar un ahorro de energía significativamente mayor, ya que el sistema se reinicia automáticamente después de cada operación y se prepara para el siguiente cálculo.

Primer prototipo desarrollado en Maguncia

Aunque ha habido muchos conceptos teóricos para la computación de reservorios basada en skyrmion en los últimos años, los investigadores en Mainz lograron desarrollar el primer prototipo funcional solo cuando combinaron estos conceptos con el principio de la computación browniana.

«El prototipo es fácil de producir desde un punto de vista litográfico y teóricamente puede reducirse a un tamaño de solo nanómetros», dijo el físico experimental Klaus Raab. «Debemos nuestro éxito a la excelente colaboración entre los físicos teóricos y experimentales aquí en la Universidad de Mainz», dijo el físico teórico Maarten Brems.