Du iš ribojančių veiksnių, trukdančių pasiekti aukštą skaičiavimo našumą – ypač duomenų centruose naudojamų procesorių atveju – yra didelės energijos sąnaudos ir didžiulis susidarančios šilumos kiekis. Paprastai kuo greičiau veikia procesorius, tuo daugiau šilumos jis generuoja.
Šis principas galioja ir didžiausiems, ir mažiausiems įrenginiams. Dauguma žmonių yra susidūrę su ventiliatorių ūžimu, kai kompiuteris atlieka ypač sudėtingą funkciją. Tuo tarpu debesų duomenų centruose gali būti dešimtys tūkstančių serverių, kurių kiekvienas savo procesoriais generuoja didžiulius šilumos kiekius.
Tačiau mokslininkai išrado naują įrenginį, pavadintą nuo maitinimo nepriklausomu perjungimo elemenu (angl. non-volatile switching element), kuris gali greitai apdoroti duomenis be problematiško šilumos generavimo, kuris paprastai siejamas su greitu apdorojimu.
Susiję straipsniai
Naujasis įrenginys gali apdoroti bitą – mažiausią informacijos vienetą, žymimą „1“ arba „0“ – per vos 40 pikosekundžių (40 trilijonųjų sekundės dalių). Palyginimui, įprasti lustai vos spėja apdoroti bitą per mažiau nei nanosekundę (milijardąją sekundės dalį).
Naujajame tyrime, paskelbtame žurnale „Science“, mokslininkai įrodė, kad pikosekundžių diapazone ypač mažos galios perjungimas yra įmanomas.
Šviesos galios panaudojimas
Mokslininkai sukūrė šį nuo maitinimo nepriklausomą perjungimo elementą iš ultraplonų tantalo (Ta) ir Mn3Sn sluoksnių, uždėtų ant kvarco pagrindo. Jie pasirinko tantalą – ugniai atsparų metalą, galintį kaupti ir išskirti elektros energiją, – ir Mn3Sn, nes pastarasis yra antiferomagnetinis, t. y. pasižymi stabiliomis magnetinėmis savybėmis ir yra atsparus išorinių magnetinių laukų trukdžiams.
Tada jie panaudojo ultragreito impulso generatorių, kad sukurtų greitus šviesos impulsus įprastinėje ryšio bangų ilgio juostoje. Kiekvienas šviesos impulsas praėjo per greitaeigį fotodetektorių, vadinamą vienakrypčio nešiklio fotodiodu (UTD-PD).
Kai nuo maitinimo nepriklausomas perjungimo elementas gavo impulsus iš UTD-PD, medžiagoje esančių elektronų sukiniai pasikeitė, o mokslininkai užfiksavo nežymią magnetinę jėgą.
Laboratorinių bandymų metu nuo maitinimo nepriklausomas perjungimo elementas veikė nuosekliai ir patikimai – nepaisant to, kad atliko daugiau nei milijardą perjungimų – taip įrodydamas įrenginiui būdingą stabilumą. Be to, procesui nereikėjo nuolatinės elektros srovės, kad magnetinė informacija būtų išlaikyta.
Svarbiausia, kad apdorojimo metu susidarydavo minimaliai šilumos, palyginti su įprastu kompiuterio procesoriumi. Todėl nuo maitinimo nepriklausomas perjungimo elementas galėjo apeiti greito apdorojimo problemą, veikdamas taip, kad nesusidarydavo dideli šilumos kiekiai.
Šilumos nuostolių mažinimas
Mokslininkai pažymėjo, kad šiluma šiuo metu yra pagrindinė kliūtis didinant duomenų centrų skaičiavimo galią – o šis įrenginys galėtų pašalinti šį apribojimą. Dėl mažų energijos poreikių ir nedidelio šilumos išskyrimo šis nuo maitinimo nepriklausomas perjungimo elementas galėtų žymiai sumažinti procesorių energijos suvartojimą.
Tačiau pakankamo šių įrenginių kiekio pagaminimas, kad būtų pasiektas reikšmingas rezultatas, gali kelti papildomų iššūkių. Tantalas yra retas metalas, kurio paklausa jau dabar yra didelė, todėl gali tekti spręsti tiekimo problemas. Įrenginys taip pat turėtų būti išbandytas ne laboratorinėmis sąlygomis, kur išoriniai aplinkos veiksniai galėtų pakenkti rezultatams.
Mokslininkai teigė, kad po sėkmingo laboratorinio demonstravimo prototipinis lustas galėtų būti parengtas iki 2030 m.
Tyrėjai mano, kad toliau mažinant Mn3Sn sluoksnio storį, energijos suvartojimas sumažės dar labiau. Jie pridūrė, kad kitas iššūkis bus sukurti komerciškai perspektyvų masinės gamybos procesą, leidžiantį gaminti šį įrenginį dideliais kiekiais, rašo „Live Science“.