Magnetiske bølger og lyd skal undersøges som byggesten i en ny type computerkomponent. University of Michigan annoncerede den 20. oktober et projekt med støtte på op til seks millioner dollar fra det amerikanske forskningsagentur DARPA. Holdet arbejder sammen med University of Wisconsin-Madison om en komponent, de kalder M³BOLT.

Forskerne beskriver et muligt potentiale for markant højere hastighed og energieffektivitet. Men annonceringen handler om udvikling og finansiering, ikke om en færdig processor, der allerede har slået almindelige chips i en uafhængig test. Den forskel er afgørende, når projektets ambitioner skal vurderes.

To materialer skal koble elektricitet og magnetisme

Ifølge Michigan kombinerer designet en krystal af typen PMN-PT med en tynd film af jern og gallium. Elektrisk påvirkning af krystallen kan ændre dens struktur og dermed påvirke magnetismen i laget ovenpå. Projektet vil udnytte koblingen til at arbejde med magnetiske og mekaniske bølger.

John Heron leder projektet, Roozbeh Tabrizian arbejder med komponentdesignet, og Wei Lu leder kredsløbsarbejdet. Gruppen fra Wisconsin-Madison, ledet af Jiamian Hu, skal bidrage med simuleringer af blandt andet opbygning og materialefejl.

DARPA efterlyser et stort spring i energieffektivitet

Projektet indgår i Fast and Curious. På programmets officielle side beskriver DARPA målet som logiske kredsløb, der er mindst hundrede gange mere energieffektive end den nuværende førende teknologi. Programmet søger nye fysiske principper, materialer og arkitekturer til digital databehandling.

Udgangspunktet er, at CMOS, teknologien bag størstedelen af nutidens integrerede kredsløb, nærmer sig teoretiske grænser for energieffektivitet. Samtidig skaber kunstig intelligens og beregninger i udstyr med begrænset strømforsyning behov for andre løsninger. DARPA nævner blandt andet rumfart som et miljø, hvor energibudgettet er stramt.

Programmet skal begynde med enkle komponenter, der udfylder en transistorlignende rolle, og bevæge sig videre til mere sammensatte logiske kredsløb. Ambitionen omfatter altså mere end at vise en interessant materialeegenskab. En ny fysisk effekt skal kunne indgå i kredsløb, der udfører bestemte operationer på en forudsigelig måde.

Materialeforskningen har en længere forhistorie

En relevant byggesten er beskrevet i et studie fra 2021 i Nature Communications med Heron blandt forfatterne. Forskerne undersøgte jern-gallium-legeringer og deres magnetostriktion: koblingen mellem et materiales magnetiske og mekaniske egenskaber.

Studiet viste, hvordan dyrkning af tynde krystallinske lag kunne stabilisere en struktur med mere gallium og øge den magnetostriktive respons. I en kombination med PMN-PT demonstrerede forskerne elektrisk styring af den foretrukne magnetiseringsretning med en drejning på 90 grader.

Det er et materialeeksperiment, ikke en demonstration af M³BOLT som komplet computer. Resultatet er relevant, fordi elektrisk kontrol over magnetiske egenskaber kan være en forudsætning for at bygge den type komponent, det nye projekt vil undersøge. Men forbindelsen fra materiale til kredsløb rummer flere selvstændige udviklingstrin.

En god komponent skal også fungere sammen med andre

For at vurdere et alternativ til transistoren er det ikke tilstrækkeligt at se på, hvor hurtigt én proces kan foregå i et materiale. Informationen skal også ind i komponenten, kunne aflæses og sendes videre. Hvis disse trin kræver meget energi eller tid, kan de ændre den samlede gevinst.

Det er derfor nyttigt at skelne mellem tre niveauer: materialeegenskaber, en enkelt fungerende komponent og en hel beregningsopgave. Et stærkt resultat på det første niveau er ikke automatisk et tilsvarende resultat på det sidste. Det er netop kredsløbsarbejdet, der skal forbinde dem.

En meningsfuld sammenligning vil desuden kræve samme opgave og tydelige betingelser. Hvor meget energi bruges pr. operation? Hvor ofte opstår fejl? Og er udgifterne til styring og aflæsning regnet med? Sådanne spørgsmål gør et fremtidigt resultat muligt at sammenligne med den teknologi, det skal supplere.

Nyheden er dermed, at et konkret forskerhold nu har finansiering til at undersøge en alternativ fysisk vej til beregning. Om bølgerne kan omsættes til en praktisk fordel, må de kommende komponenter og kredsløb vise.

Kilder og videre læsning

Har du fundet en fejl? Læs om rettelser.