Учёные из Токийского университета полностью отказались от классических полупроводников, обуздав спин электрона в топологическом антиферромагнетике
Транзистор — фундаментальный столп, на котором держится современная вычислительная техника. В цифровых микросхемах он выполняет роль «выключателя», управляемого напряжением: либо пропускает ток (состояние «включено»), либо блокирует его («выключено»). Эти два электрических состояния формируют двоичный код — единицы и нули, позволяя создавать логические вентили процессоров. Плотность их размещения поражает: например, базовый чип Apple M4 содержит около 28 миллиардов транзисторов. Однако кремний упёрся в физический тупик. Чтобы обрабатывать больше данных и делать это быстрее, индустрии нужно делать транзисторы меньше и заставлять их переключаться активнее. Но высокая скорость неизбежно упирается в колоссальное выделение тепла из-за постоянного движения электрического заряда, что деформирует и разрушает кремний.
Группа исследователей из Токийского университета совместно с институтом RIKEN описала радикальный выход из этого тупика. Физики под руководством профессора Сатоси Накацудзи (Satoshi Nakatsuji) создали устройство, в котором вообще нет транзисторов. Прототип, названный «энергонезависимым квантовым переключающим элементом» (non-volatile quantum switching element), кодирует биты информации не с помощью потока электронов, а через квантовое свойство одиночного электрона — его спин.
Оказалось, что менять спиновое состояние электрона колоссально быстрее и энергоэффективнее, чем физически гонять ток через транзисторные затворы. Разработанный японцами элемент продемонстрировал невероятную скорость: перезапись одного бита информации занимает всего 40 пикосекунд (пикосекунда — одна триллионная часть секунды). Для сравнения: даже самые передовые современные кремниевые процессоры и чипы памяти тратят на ту же операцию около одной наносекунды. Таким образом, новая технология сразу даёт ускорение на три порядка (в 1000 раз).
Кроме того, учёные провели успешный эксперимент, переключив элемент за 60 пикосекунд с помощью ультракороткого лазерного импульса, что открывает прямую дорогу к объединению оптических и электрических сигналов в архитектуре компьютеров будущего.
Элемент состоит из тончайших слоев тантала и антиферромагнитного сплава марганца и олова. Проходящий через тантал импульс за счёт эффекта спин-орбитального крутящего момента (spin-orbit torque) мгновенно меняет направление микроскопической магнитной силы в марганце-олове. При этом электроны остаются в заданном состоянии спина бесконечно долго, пока на них не подействует новый импульс. Это делает память энергонезависимой — данные сохраняются даже при полном отключении питания.
Квантовый переключатель показал феноменальную живучесть: он отработал более 100 миллиардов циклов без малейших признаков деградации, поскольку процесс практически не выделяет паразитного тепла. Обычный кремний при попытке переключения на такой скорости сгорел бы уже через 10 миллионов циклов.
Авторы предупреждают: пока что речь идёт лишь о лабораторном доказательстве концепции. Физика работает идеально, но коммерческое производство таких чипов — это колоссальный инженерный вызов, тем более что текущему прототипу всё ещё требуется внешнее поддерживающее магнитное поле для стабильной работы. Тем не менее исследователи полны оптимизма: они планируют избавиться от внешнего поля и создать первый рабочий прототип интегральной микросхемы к 2030 году. Если чипы на логике спинтроники доберутся до коммерческого рынка, то они позволят снизить энергопотребление дата-центров и ИИ-ускорителей в 100 раз, размыв границу между оперативной памятью и постоянным хранилищем.