Datorer lagrar och behandlar normalt data i separata moduler. Men nu har forskare vid ETH Zürich och Paul Scherrer -institutet utvecklat en metod som gör att logiska operationer kan utföras direkt i ett minneselement.

Den som någonsin av misstag dragit ut kontakten till en stationär dator kommer ihåg det smärtsamma ögonblicket när de insåg att all osparad information förlorades för alltid. Det beror på att datorer gör en tydlig åtskillnad mellan uppgifterna för beräkning och datalagring. Vilken data som datorn använder för närvarande lagras i huvudminnet, som-liksom datorns CPU-bygger på strömstyrda transistorer. Detta betyder att huvudminnet är "flyktigt":så snart strömmen försvinner, det gör uppgifterna också. Programvara, bilder, videor och annan data som kräver långsiktig lagring lagras i icke-flyktigt minne, till exempel flashminne eller en magnetisk hårddisk, varifrån de kan laddas in i huvudminnet vid behov.

Under ledning av Pietro Gambardella och Laura Heyderman, ett team av forskare från ETH Zürich och Paul Scherrer Institute (PSI) hoppas nu kunna revolutionera denna decennier gamla princip. Deras mål är att bygga en snabb, icke-flyktigt minnessystem som också kan utföra logiska operationer på data, såsom INTE, ELLER och OCH. De nådde nyligen en viktig milstolpe på den resan, som beskrevs i en artikel i den vetenskapliga tidskriften Natur .

Snabbt banminne

Forskare har arbetat med utvecklingen av magnetiskt banminne i ett antal år. Denna nya typ av minne är mycket snabbare än traditionella hårddiskar där ett läs-/skrivhuvud måste flyttas till ett specifikt område av skivytan med mekaniska medel. I kontrast, racerbaneminneelement fungerar med hjälp av strömpulser för att flytta små magnetiska områden, eller domäner, upp och ner nanotrådar som bara är några hundra nanometer tjocka. På dessa områden, alla magnetmoment - som små kompassnålar associerade med materialets atomer - är orienterade i samma riktning och kan därmed användas för att representera de binära tillstånden 0 och 1. Genom att eliminera behovet av mekanisk rörelse för ett läs-/skrivhuvud, racerbaneminne erbjuder mycket snabbare åtkomsttider än traditionella hårddiskar. Ändå, även data som lagras på detta sätt skulle normalt behöva laddas in i huvudminnet för att behandlas.

"Det vi har lyckats göra nu är att utföra logiska operationer direkt inom denna typ av minneselement, "säger Zhaochu Luo, postdoc -forskaren som drev projektet framåt. Datorer använder logiska operationer för att bearbeta data. Till exempel, den logiska operatorn vänder INTE lite, växla dess värde från 0 till 1 eller vice versa. Normalt utförs denna operation i huvudminnet, med data som läses från och skrivs om till den magnetiska hårddisken men inte direkt behandlas där.

En nyfiken interaktion

"Vår metod fungerar annorlunda, "säger Pietro Gambardella." Vi använder en elektrisk ström för att vända polariteten i de magnetiska regionerna, därigenom utför en INTE operation på de lagrade data. Vi gör detta genom att utnyttja en ganska märklig utbytesinteraktion som uppstår när vi lägger en magnetisk koboltfilm på ett platinaskikt. "Som ett resultat av denna interaktion, de magnetiska momenten är varken parallella eller parallella med varandra, som normalt skulle vara fallet. Istället, på grund av närvaron av platinaskiktet, interaktionen gör att de magnetiska momenten i angränsande domäner inriktas vinkelrätt mot varandra. "Det är nästan som om en kompassnål plötsligt skulle peka österut istället för norrut, säger Gambardella.

Denna vinkelräta inriktning av de magnetiska momenten leder också till en föredragen rotationskänsla för magnetiseringen mellan en domän och en annan, liknande hur en korkskruv roterar i en specifik riktning. Så om en strömpuls nu passerar genom platinaskiktet, de flödande elektronerna ändrar gradvis polariteten hos de atomära "kompassnålarna" i det magnetiska koboltskiktet. Detta förflyttar informationen som kodas i magnetiseringen och skapar en resande magnetisk domän. Sedan, på fördefinierade platser där den vinkelräta interaktionen är stark, magnetiseringsriktningen i den resande domänen är inverterad. Detta motsvarar exakt en logisk NOT -operation.

Det är möjligt att kombinera sådana operationer i olika racerbaneminneelement, ger därmed andra logiska operationer som AND, ELLER och NAND. Dessa kan sättas ihop till mer komplexa kretsar, till exempel att lägga till två nummer tillsammans (se bild). Men, till skillnad från konventionella kretsar baserade på halvledare där varje transistor kräver sin egen strömförsörjning, de nya racerbanans minneskretsar behöver bara förses med ström vid ingång och utgång.

Användningar i sakernas internet

"Initialt, Jag ser att vår teknik främst används i mikroprocessorer med låg datorkraft, "förklarar Gambardella. Ett exempel som är särskilt relevant i dagens värld är sakernas internet, där en mängd olika enheter och sensorer kommunicerar direkt med varandra. Datorerna i den här typen av enheter måste erbjuda "direkt-på" -funktioner-vilket innebär omedelbar drift utan dröjsmål med att ladda upp ett operativsystem-och låg energiförbrukning. En teknik som kombinerar magnetiskt minne och logiska operationer skulle vara idealisk för denna applikation.

I princip, säger Gambardella, det finns inget som står i vägen för att hantera större datorer på samma sätt. Men i praktiken, han erkänner, detta kommer sannolikt inte att hända inom kort:"Att optimera material och tillverkningsprocesser för detta ändamål är en mycket dyr affär för chipmakers, så det är för tidigt att säga om vår teknik kan ersätta konventionell halvledarteknik. "Ändå, han argumenterar, detta nya tillvägagångssätt är verkligen tillräckligt intressant för att motivera ytterligare undersökningar för att upptäcka hur långt det kan tas. Forskarna har redan sökt patent, så kanske vi till slut kommer att få en dator som gör att vi kan dra ur kontakten utan att oroa oss för att förlora data.