Uma equipe de
cientistas do NIST desenvolveu e
demonstrou uma nova tecnologia de memória em nanoescala para computadores que
usam supercondutores que poderia acelerar o advento de uma tão aguardada
alternativa de baixo consumo de energia para data centers convencionais.
Nos últimos anos, a gigantesca crescente demanda de
dados de computação em nuvem, o uso da Internet, suporte a dispositivos móveis
e outras aplicações, levaram a criação de recursos de computação centralizada
em centenas de milhares de sites em todo o mundo.
Essas instalações funcionam 24 horas por dia e
empregam matrizes de servidores baseados em semicondutores que exigem
quantidades substanciais de energia elétrica e geram grande quantidade de calor
- que por sua vez exige ainda mais energia para remover.
Mesmo que as necessidades de energia para todos os centros de dados norte-americanos sejam satisfeitas, as limitações inerentes dos semicondutores define o limite para a futura capacidade de processamento onde o volume de informação digital aumenta exponencialmente.
Mesmo que as necessidades de energia para todos os centros de dados norte-americanos sejam satisfeitas, as limitações inerentes dos semicondutores define o limite para a futura capacidade de processamento onde o volume de informação digital aumenta exponencialmente.
Uma tecnologia promissora é a
computação que utiliza supercondutores, a qual oferece a perspectiva de
trnasportar informações sem perdas através de canais de resistência zero. Em
vez de usar transistores semicondutores para comutar sinais eletrônicos, estes
sistemas usam componentes minúsculas chamadas junções Josephson (JJ). Estes operam perto do zero absoluto (de
4 K a 10 K), dissipam quantidades minúsculas de energia (menos de 10-19 joule por operação), e pode ser
alternado entre os estados em centenas de bilhões de vezes por segundo
(freqüências de gigahertz), em comparação com poucos gigahertz de computadores
que utilizam semicondutores.
Até o momento, muitas
tecnologias-chave como circuitos lógicos, interconexões de componentes e memória
criogênica, necessárias para um computador que use supercondutores, ainda não
foram desenvolvidas. Mas o Intelligence
Advanced Research Projects Activity (IARPA) determinou que, graças ao recente
progresso da pesquisa, as ‘bases para um grande avanço’ estão agora em vigor, e
lançou um programa para investigar a viabilidade prática da computação que usa
supercondutores.
Cientistas do NIST foram contratados para desenvolver as metrologias e
avaliação dos métodos necessários para o programa IARPA. Mas, muito antes do início do programa
um dos obstáculos mais difíceis para a computação que usa supercondutores já
vinha sendo focado: a falta de um sistema de memória que pode trabalhar na
temperatura criogênica e a uma velocidade impressionante dos interruptores JJ
enquanto também requer energia operacional mínima.
Um módulo de memória da equipe
do NIST é uma junção Josephson modificada com dimensões na
escala de 100 nanômetros. Entre os dois eletrodos da junção
supercondutora, os cientistas fabricaram uma barreira de multi-camada que
consiste em dois materiais magnéticos diferentes, separados por um metal não
magnético.
A relação entre as polaridades
das duas camadas magnéticas - que podem ser alinhadas paralela ou
anti-paralelamente - determina a magnitude da supercorrente na junção
Josephson, e pode ser igual ou diferente de zero da tensão através da junção. Esse efeito é baseado na competição
intrincada entre supercondutividade e magnetismo que foi inequivocamente
demonstrada no trabalho da equipe do NIST. Esses dois estados de corrente ou
tensão pode representar 0 ou 1 - valores binários para memória do computador
supercondutor. O tamanho do dispositivo pode ser
reduzido, como será necessário para alta capacidade de memória, sem perder a
capacidade de diferenciar o estado.
As propriedades magnéticas da
barreira podem ser controladas apenas através de correntes elétricas em vez do
campo magnético. Isto é conseguido através de um
processo chamado de transferência de torque de spin: uma corrente normal, com
uma distribuição uniforme de spin, passa através da camada magnética fixa, que
atua como um filtro de tal modo que os elétrons que emergem são polarizados por
rotação. O momento angular associado a esse
estado de spin é então transferido para a camada livre, mudando o seu
alinhamento magnético. O
processo é reversível. Este
efeito tem sido amplamente estudado para memórias magnéticas à temperatura ambiente,
mas geralmente para memórias baseadas na mudança de resistência
(magnetorresistência).
Ambas operações, ler e
escrever, são escaláveis para nanodispositivos. Ler pode ser realizada por sondagem ad
força da supercondutividade com uma energia minúscula. A energia de gravação pode ser
melhorada com a engenharia do material magnético e redução do tamanho do
dispositivo; o limite final é dado pela energia
magnética que também é minúscula. Combinado com nonvolatility (sem necessidade de refrigeração) e velocidade,
este híbrido supercondutor-magnético promete uma tecnologia alternativa para
memórias de semicondutores.
Outros grupos têm desenvolvido
dispositivos híbridos supercondutores-magnéticos de vários tipos. Mas
o módulo do NIST é o primeiro a utilizar efeitos
spintrônicos, que são particularmente difíceis de caracterizar em nanoescala. O híbrido do NIST pode ser facilmente integrado com os
sistemas supercondutores, e os pesquisadores estão analisando os comportamentos
de diferentes configurações e materiais de barreira sob várias condições para o
uso na memória e outras funções.
“A combinação de baixa perda de lógica
supercondutora não volátil, a memória magnética híbrida pode revolucionar a
computação e armazenamento de dados dentro de uma década”, diz Ron Goldfarb,
líder do Magnetics Group e membro de apoio da equipe do NIST. “O recente trabalho do NIST demonstrando comutação spintrônica de
dispositivos híbridos de memória magnética-supercondutora foi uma prova vital
de princípio. Outros grupos estão trabalhando em diferentes implementações.
Devido à sua experiência de medição e imparcialidade, a NIST será responsável por testes para IARPA”.
Olhando para o futuro, Goldfarb diz: “O desenvolvimento
de novos tipos de processadores de computador para além dos limites dos
semicondutores é uma área emergente de pesquisa interdisciplinar. Isso inclui
novos tipos de lógica computacional, memória principal, memória de cache e de
armazenamento em massa para supercomputadores, processadores de imagem e
centros de dados. A partir de uma perspectiva de medidas, há uma necessidade de
testar o protótipo e aferir a confiabilidade, reprodutibilidade, dissipação de
energia e desempenho de alta velocidade desses componentes, dispositivos,
circuitos, e os seus materiais constituintes”.
