Израильские физики приблизились к теоретическому пределу энергоэффективности компьютерной памяти
Ученые Еврейского университета Иерусалима создали ячейку памяти, которая тратит на операцию лишь в 5 раз больше теоретического минимума энергии. Обычные процессоры тратят в миллионы раз больше.
В 1961 году американский физик Рольф Ландауэр показал, что у любых вычислений независимо от их физической реализации есть неустранимая энергетическая цена: стирание одного бита информации неизбежно сопровождается выделением тепла не меньше 3·10^-21 джоуля (при комнатной температуре). Это насколько ничтожная величина, что в то время инженеры просто не обратили внимания на это ограничение. Но сегодня миллиарды транзисторов в процессоре переключаются миллиарды раз в секунду, и реальные чипы тратят на операцию в миллионы раз больше, чем предел Ландауэра. Потери энергии совсем не теоретические, и их нужно сокращать. Преодолеть предел Ландауэра нельзя, но можно к нему приблизиться.
Физики Еврейского университета Иерусалима подошли к пределу Ландауэра почти вплотную: их ячейка памяти тратит примерно в 5 раз больше теоретического минимума, а не в миллион раз как стандартные чипы. Носителем информации в ячейке служит не транзистор, а сверхпроводящий вихрь – крошечный "водоворот" магнитного потока, который возникает в некоторых материалах при глубоком охлаждении. Исследователи заперли одиночный вихрь в ловушке с двумя устойчивыми положениями: одно соответствует 0, другое – 1. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Измерить столь малую энергию было непросто. Тепло от движения вихря почти неуловимо, поэтому физики следили не за температурой, а за магнитным откликом вихря с помощью сверхчувствительного микроскопа, у которого сверхпроводящий квантовый интерферометр размещен на кончике иглы. "Вихрь – исключительно маленький и хрупкий объект, поэтому измерить энергию, рассеиваемую при его движении, – серьезная экспериментальная задача, – объясняет соавтор исследования Нофар Фридман. – Отслеживая его магнитный отклик, мы смогли сравнить затраты энергии с фундаментальным пределом Ландауэра".
Устройство пока экспериментальное: оно работает при температуре около 4 кельвинов (−269 °C) и для обычных компьютеров не подходит. Но квантовые компьютеры работают именно при таком или даже большем охлаждении. Подобные "вихревые" ячейки могут хранить классическую информацию в квантовых процессорах.
