DARPA pretende aumentar la capacidad de almacenamiento y de procesos lógicos

DARPA pretende aumentar la capacidad de almacenamiento y de procesos lógicos, sin aumentar el tamaño de los bits

Muchas personas al usar sus ordenadores u otros dispositivos digitales son conscientes de que todas las palabras e imágenes mostradas en sus monitores se reducen a una secuencia de unos y ceros. Pero pocos aprecian probablemente lo que hay detrás de esos y ceros: disposiciones microscópicas de «momentos magnéticos» (imaginemos diminutos imanes con polos positivo y negativo). Cuando se alinean en paralelo en materiales ferromagnéticos como el hierro, estos “momentos” crean patrones y corrientes de bits magnéticos, los unos y los ceros que son el alma de lo digital.

Estos bits magnéticos son estables frente a las perturbaciones, como por el calor, por la fuerza de los números: cualquier “momento” que inadvertidamente invierta su orientación es devuelta a su posición anterior por la interacción magnética con el resto de los momentos alineados en el bit. Durante décadas, los ingenieros han sido capaces de aumentar las capacidades de computación reduciendo el tamaño de estos dominios magnéticos, utilizando avances en la fabricación y nuevas técnicas para leer y escribir los datos.

En los últimos años, sin embargo, ha quedado claro que este enfoque no puede continuar indefinidamente. Los “momentos” comienzan a oscilar fuera de la alineación cuando el tamaño del bit se vuelve demasiado pequeño y la energía de interacción que los mantiene alineados es superada por la energía térmica circundante, haciendo que los bits digitales sean inestables y poco fiables para el almacenamiento o para la lógica. Para una serie de dispositivos electrónicos de alto rendimiento, se está a punto de alcanzar el requisito termodinámico para el tamaño magnético de los bits, llamado límite superparamagnético, lo que significa que no se podrá obtener más memoria en la misma cantidad de espacio.

El programa Topological Excitations in Electronics de DARPA, anunciado recientemente, tiene como objetivo investigar nuevas formas de organizar estos “momentos” en nuevas geometrías que sean mucho más estables que la disposición paralela convencional. Si tuviera éxito, estas nuevas configuraciones podrían permitir que los bits de datos sean radicalmente más pequeños de lo posible hoy en día, produciéndose potencialmente un aumento de 100 veces de la cantidad de almacenamiento alcanzable en un chip en la actualidad. También podría permitir diseños para conceptos completamente nuevos para lógica computacional e incluso para bits «cuánticos» topológicamente protegidos, la base de los ordenadores cuánticos buscados desde hace tiempo.

«Sabemos desde hace tiempo, que hay algunas interacciones magnéticas que favorecen que los momentos magnéticos se organicen en forma de “V” en lugar de la disposición paralela, lo que produce una estructura mucho más estable», dijo Rosa Alejandra «Ale» Lukaszew, una gerente del programa en la Defense Sciences Office de DARPA. «La interacción inclinada no permite que los electrones se alineen paralelos entre sí, por lo que para que se ajusten en una pequeña región deben configurarse en un patrón especial. Estos patrones geométricos únicos, llamados excitaciones topológicas, son muy estables y mantienen su geometría incluso cuando se contraen a tamaños muy pequeños. Pero sólo recientemente hemos tenido los modelos multiescala, las herramientas avanzadas de metrología y la comprensión de las combinaciones de materiales apropiadas para explorar completamente este fenómeno «.

Otra característica única de las excitaciones topológicas es que pueden moverse a una velocidad significativa con una pequeña cantidad de corriente, lo que permite operaciones de lectura y escritura rápidas si, por ejemplo, se colocan en una pista que discurre delante de un cabezal de lectura / escritura, dijo Ale. Este enfoque permitiría explorar nuevos enfoques tridimensionales para el diseño de chips, permitiendo capacidades de almacenamiento de 100 Terabits por pulgada cuadrada, 100 veces más que el límite actual de 1 Terabit por pulgada cuadrada lograda en demostraciones de laboratorio.

Un objetivo clave del programa es demostrar excitaciones topológicas menores de 10 nanómetros a temperatura ambiente para aplicaciones de memoria. Actualmente hay datos preliminares de investigación que muestran que es posible crear skyrmions (un tipo particular de excitación topológica) de este tamaño, pero sólo a temperaturas muy bajas, dijo Ale. Los tamaños más pequeños alcanzados hasta la fecha a temperatura ambiente son de 10s de nanómetros, uno a dos órdenes de magnitud mayor que el objetivo del nuevo programa. Sin embargo, los tamaños inferiores a 10 nm son teóricamente posibles si se pueden encontrar los materiales adecuados.

«Si se pueden mover estos skyrmions muy rápidamente con corrientes bajas, entonces también se tiene la posibilidad de implementar la lógica», dijo Ale. «Entonces no solo se está entrando en el terreno de la memoria, sino también en el del procesador, porque entonces puede implementar un paradigma completamente diferente para todas las puertas lógicas digitales típicas. Si pudiéramos alcanzar tamaños menores de 10 nanómetros a temperatura ambiente, necesitaríamos determinar cuán controlables son para empleo en la memoria y la lógica, sus tamaños y su dinámica. Este ámbito tiene que ser explorado. Si demostramos que estas cosas pueden moverse tan rápido como creemos que pueden, entonces podríamos tener una lógica que puede ir más allá de 1 Terahertz, que es el límite en este momento «.

El programa también explorará diferentes materiales en la búsqueda de las propiedades correctas, así como otros estados topológicamente protegidos para aplicaciones a bits cuánticos, por ejemplo.

«Los materiales magnéticos no son el único tipo de material que puede mantener las excitaciones topológicas», dijo Ale. «Hay óxidos que pueden hacerlo, pero con carga en lugar de momentos magnéticos, por lo que el programa está abierto a otros enfoques. Si existe la posibilidad de crear skyrmions más pequeños y con menos exigencias energéticas en un óxido, podría ser más interesante que el magnetismo. Y aunque nuestro enfoque está en el almacenamiento de memoria y en la lógica, si la existieran nuevas ideas para otras aplicaciones, estamos dispuestos a oírlas «.

Si la investigación demuestra que las excitaciones topológicas pueden conseguir las ganancias esperadas en cuanto a memoria, velocidad de procesamiento y ahorro de energía, podría llegar tener una aplicación tremenda a los sistemas militares. Los aviones tripulados y no tripulados podrían volar con una batería mucho ligera, con el consiguiente aumento de su autonomía, dijo Ale.

El programa Topological Excitations in Electronics busca el conocimiento en ciencia de materiales (para abordar el objetivo de lograr <10nm TEs a temperatura ambiente); física (para abordar posibles interacciones que conduzcan a excitaciones topológicas de interés así como la metrología adecuada para investigarlas), química (para abordar combinaciones de materiales adecuadas), ingeniería (desarrollo de estructuras de prueba de concepto para establecer aplicaciones de excitaciones topológicas para la memoria y la lógica), permitiendo materiales multifunción, optimización de diseño integrada y uso eficiente de energía.

Fte.: DARPA