Jakten på fremtidens datamaskiner
Gammel teknologi må skrotes om vi skal utvikle datamaskiner som er raskere og som bruker mindre strøm. Norske forskere vil bidra.
SPINNTRONIKK: Utviklingen av stadig raskere datamaskiner er i ferd med å bremse opp. Nytenkning må til om fremtidens maskiner skal bli raskere. Og kanskje vel så viktig: strømforbruket må ned. Ved NTNU jobber forskere med saken.
Egentlig er det ikke datamaskiner han jobber med i det hele tatt. Førsteamanuensis Erik Folven ved Institutt for elektronikk og telekommunikasjon ved NTNU jobber med grunnleggende nanomagnetisme: Hvordan magnetisme kan kontrolleres på atomnivå og hvordan slik kontroll kan utnyttes i fremtidens elektronikk.
Stjerneforsker Erik Folven. Foto: NTNU
Vi snakker om en ny og fremvoksende form for elektronikk der vi ikke bare utnytter elektronenes ladning, som vi har gjort i snart hundre år, men også elektronenes magnetiske egenskaper. Ettersom magnetisme er tett knyttet til en kvantemekanisk egenskap ved elektronet kalt spinn, har dette feltet fått navnet «spinntronikk».
Les også: Ett skritt nærmere kvantedatamaskiner
Varmedød og karbonavtrykk
– Vi har to hovedgrunner til å jobbe med mer energieffektiv databehandling. Den første er knyttet til problemer med massiv varmeutvikling på moderne microchiper og muligheten til fortsatt å følge en utviklingstrend kjent som Moores lov, sier Erik Folven.
Moores lov ble utformet allerede i 1965. Den sa at antall transistorer på en microchip vil dobles annethvert år. Dette er blitt sauset sammen med et annet sitat som sier at hastigheten på en microchip vil dobles etter 18 måneder, men det er nå ikke noe å bry seg om.
Poenget er at det stort sett har stemt. Til nå. Datamaskinene er blitt stadig raskere. Men vi er i ferd med å nå en grense for hvor langt vi kan presse den teknologien vi har basert oss på fram til i dag.
Når transistoren, den minste byggeklossen i en microchip, blir mindre og mindre, begynner denne teknologien å feile.
Et hovedproblem er at isolerende sjikt begynner å lekke strøm. Disse lekkasjestrømmene skaper varme, og blir denne varmeutviklingen stor nok vil microchipen bryte sammen.
Transistorene er blitt bittesmå, og de kan stadig gjøres mindre. Problemet er at når hver av disse utvikler stadig mer varme klarer vi ikke lenger å bli kvitt denne varmen ved kjøling. For å unngå at microchipen smelter kan vi derfor ikke ta i bruk alle transistorene samtidig. I en moderne microchip kan kanskje så lite som 20 prosent av alle transistorene utnyttes fullt ut samtidig, og ifølge forskere ved UC San Diego vil denne andelen avta eksponentielt fremover om vi ikke finner på noe lurt.
Stjerneforskere
NTNU ønsker å dyrke frem flere eliteforskere, og 17 unge forskere på NTNU er plukket ut til å bli med i «Stjerneprogrammet».
Forskerne har allerede utmerket seg internasjonalt innenfor sine fagfelt, og jobber med alt fra økonomisk historie til nanoteknologi og medisin.
Ved hjelp av mentorer, opphold i utlandet, samlinger, penger og Olympiatoppens kompetanse innen talentutvikling skal forskerne settes bedre i stand til å kapre flere internasjonale verdensmesterskap innen forskning.
– Den andre årsaken til at vi jobber med nye teknologier for energieffektiv databehandling er at computere, mobiltelefoner og andre elektroniske duppeditter bruker så mye elektrisitet, sier Folven videre.
En ting er at vi som forbrukere omgir oss med stadig mer bærbar elektronikk som mobiltelefoner, nettbrett og laptoper. Disse skal drives av et batteri og jo mindre batterikapasitet som går til å generere varme, dess lengre kan det gå mellom hver gang vi trenger å lade.
Dessuten er antallet elektroniske dingser og duppeditter i verden nå så svimlende høyt at karbonavtrykket fra disse ikke lenger er ubetydelig.
I USA står nå utstyr som kobles opp mot internett for rundt 10 prosent av det totale strømforbruket, ifølge miljøforskningsguru David Sarokin. Det er enorme mengder i en verden der mange blir stadig mer opptatt av å skåne miljøet. I dag er 1,6 milliarder dingser og duppeditter tilkoblet internett.
Kanskje er det på tide å skrote hele transistoren og begynne på nytt?
Les også: Små kapsler med store ringvirkninger
Magnetisme istedenfor strøm
På det laveste nivået er overføringen og behandlingen av data enkel. Det baserer seg på prosesser som enten er på eller av. Enten 0 eller 1. Sånn eller slik, og ingenting midt imellom. Det er ikke helt sant, men nært nok. I prinsippet kan flere teknikker benyttes.
I dag gjøres dette ved å flytte rundt på elektroner. Det krever elektrisitet. Mye. Dessuten sløses det vekk mye energi i form av varmeutvikling i transistorene. Folven og hans medsammensvorne vil bruke magnetisme istedenfor å flytte elektroner. Håpet er at dette skal gi både raskere maskiner og mye lavere strømforbruk.
Helt vanlige magneter har to poler, en nordpol og en sørpol. Det vet alle som har brukt et kompass eller lekt med Brio-tog. Sånn er det på atomnivå også.
Illustrasjon 1: Grunnen til at et materiale er ferromagnetisk er at alle atomene har magnetismen orientert i samme retning. I sum blir dette til et materiale som oppleves som magnetisk også i makroskopisk målestokk. Illustrasjon: Erik Folven, NTNU
Ferromagnetisme er denne vanlige magnetformen, den eneste formen for magnetisme som er sterk nok til at du kan føle den. Grunnen til at et materiale er ferromagnetisk er at alle atomene har magnetismen orientert i samme retning. I sum blir dette til et materiale som oppleves som magnetisk også i makroskopisk målestokk. (ILLUSTRASJON 1)
To poler. Noe som er enten slik eller slik, og ikke midt imellom. Altså av eller på. 0 eller 1. Prinsippet som brukes i dagens datamaskiner.
Dette må det da gå an å utnytte til å bygge datamaskiner, mener de som driver med spinntronikk.
Nanomagneter
Idéen er å plassere ørsmå nanomagneter så tett på hverandre at disse begynner å «snakke sammen» gjennom sine magnetiske felt. Ved at retningen på spinnene i en magnet får spinnene i nabomagneten til å snu, som igjen får dennes nabo til å snu sine spinn, kan et magnetisk signal bevege seg som en kaskade. Det minner litt om domino-brikker som står etter hverandre på høykant. Når den første velter, starter en kjedereaksjon som beveger seg bortover rekken av domino-brikker. (ILLUSTRASJON 2)
Illustrasjon 2: Idéen er å plassere ørsmå nanomagneter så tett på hverandre at disse begynner å «snakke sammen» gjennom sine magnetiske felt. Ved at retningen på spinnene i en magnet får spinnene i nabomagneten til å snu, som igjen får dennes nabo til å snu sine spinn, kan et magnetisk signal bevege seg som en kaskade. Det minner litt om domino-brikker som står etter hverandre på høykant. Når den første velter, starter en kjedereaksjon som beveger seg bortover rekken av domino-brikker. Illustrasjon: Erik Folven, NTNU
Får man til å lage sånne nanomagnetiske dominorekker har forskere i USA (evt. REF: Imre et al. Science 2006) vist at vi kan sende magnetiske signal og gjøre logiske operasjoner eller databehandling på slike signal. Og ikke bare det. Ved å flippe spinn istedenfor å flytte ladning kan dette gjøres nesten uten at det koster energi.
Det er faktisk vist (evt. REF: Lambson et al. PRL 2011) at energikostnaden ved slike beregninger kan komme helt ned mot fysikkens nedre grense, den såkalte «Landauer’s limit». Dette er en million ganger mindre energi enn det som blir svidd av i dagens datamaskiner.
Så hva er problemet?
Inntil nå har man kun klart å få de magnetiske signalene til å bre seg i svært korte rekker av nanomagneter, kanskje 10-15. Når rekkene blir for lange, har enkeltmagneter en lei tendens til å flippe når de ikke skal på grunn av termisk støy. Som med domino-brikkene: Hvis en brikke midt inni rekken faller roter den til det hele. Og 10-15 magneter blir det ingen datamaskin av.
Antiferromagneter
Det er dette problemet Folven tror han kan gjøre noe med. Han vil gjøre de nanomagnetiske domino-brikkene mer stabile om du vil. Dette vil han gjøre ved å bruke en form for magnetiske materialer kjent som antiferromagneter.
I antiferromagneter er det ikke sånn at magnetismen på atomnivå er organisert i samme retning, som i de vanlige magnetene. Isteden er denne organisert i et mønster der magnetismen knyttet til ett atom peker i motsatt retning av naboens. (ILLUSTRASJON 3)
Illustrasjon 3: I antiferromagneter er det ikke sånn at magnetismen på atomnivå er organisert i samme retning, som i de vanlige magnetene. Isteden er denne organisert i et mønster der magnetismen knyttet til ett atom peker i motsatt retning av naboens. Illustrasjon: Erik Folven, NTNU
Folven og hans kollegaer ved NTNU har nylig klart å kontrollere magnetismen i slike antiferromagneter på en helt ny måte (REF: Folven et al. Nano Letters 2010 og Folven et al. Nano Letters 2012).
Dette gjør de ved å utnytte egenskapene til en klasse materialer kjent som komplekse oksider som bygges opp med atomær kontroll og deretter lage nanomagneter ved bruk av elektronstrålelitografi. Folven snakker om å lage «magnetiske øyer i en ikkemagnetisk sjø».
Siden magnetismen nulles ut i en antiferromagnet, observerer vi ikke magnetismen i disse stoffene. Du kan ikke henge opp innkjøpslista på kjøleskapet med en antiferromagnet for å si det sånn.
Men antiferromagneter kan påvirke magnetismen i vanlige ferromagneter. Og det er her det begynner å bli interessant.
Ved å koble sammen antiferromagneter og ferromagneter i lagdelte strukturer og deretter lage nanomagnetiske domino-brikker av dette, håper Folven å kunne stabilisere disse mot termisk støy slik at komplekse nettverk av vekselvirkende nanomagneter kan realiseres. Dette vil være et stort skritt på veien mot magnetiske datamaskiner.
Stjerneforsker
Mye av dette arbeidet er utført ved NTNU, men Folven og flere av kollegene hans har også fått tilgang til laboratoriet i Berkeley i California og deres Advanced Light Source for å lage bilder av de ulike stoffene og deres magnetfelt.
Dette imponerer neppe under middagsselskaper med andre enn helt spesielt interesserte, men det er nå engang sånn at du skal ha et svært så godt prosjekt for å få innpass der. Og det har Folven, ser du.
Erik Folven er utpekt som en av 17 stjerneforskere ved NTNU, en status som er gitt til unge og lovende forskere med potensiale til å gjøre det skarpt også ute i resten av verden, i hvert fall om de får hjelp.
Det er tanken at han skal få den hjelpen. I første omgang er det ikke lenger noe problem å få penger til å reise over til laboratoriet i Berkeley lenger. Folven jobber også med å gjøre dette til del av et EU-prosjekt.
Fortsatt noen år frem
Så når får du se de første spinntronikk-datamaskinene? Vel. Vi er ikke helt der ennå.
Det er fremdeles en del utfordringer som må løses medgir Folven.
Men det mange tunge forskningsmiljøer over hele verden som jobber med disse problemstillingene, og innen en ti års tid er vi nødt til å finne nye byggeklosser til å lage datamaskiner av.
Transistoren som vi kjenner den vil snart møte veggen. Og kanskje er avtakeren en nanomagnetisk dominobrikke fra NTNU.
