Человеческий мозг, ежедневно переваривающий невообразимое количество информации на частоте лишь несколько десятков Гц, использует для этого всего пару десятков Вт. Современные компьютерные системы, которые заточены под обработку аналогичных данных через нейронные сети, применяют в тысячи раз большие частоты и в десятки раз более высокие мощности. Тем не менее они всё равно проигрывают содержимому черепной коробки типичного представителя нашего вида. Впрочем, есть вариант разобраться с подобным положением дел. Для этого нужно использовать иные принципы компьютерных вычислений, а также хранения информации — к примеру, спинтронику.
Введение в спинтронику. Какие явления объясняют этим понятием
Спинтроника — это сравнительно юное, но уж очень перспективное физическое направление, в центре которого находится особенный (спиновый) момент электронов. Если исследователи смогут воплотить в жизнь свои крайне амбициозные планы, то с помощью спинтроники получится создать абсолютно новую категорию электронных приспособлений. В таких гаджетах за перенос единицы заряда будет отвечать не столько электрическое поле, сколько магнитное. Любой пользовательский девайс в этом случае получится значительно уменьшить в габаритах. Что интересно, при этом он окажется более автономным и сможет справляться со своими обязанностями заметно быстрее. Удивительно!
Со спинтроникой пытаются разобраться специалисты по квантовой физике, ведь в основе этого понятия лежит квантовое состояние каждого электрона — его механический и магнитный моменты, называемые спинами. У последнего в пространстве могут быть два противоположных состояния, которые условно называют «вверх» и «вниз». В большинстве материалов число электронов в конкретном состоянии приблизительно равно, но есть особенные ферромагнитные проводники, в которых есть значительное превышение в сторону «вверх» или «вниз». У материала появляется макроскопический магнитный момент, который можно использовать, в том числе, и в пользовательской электронике.
Спинтронику можно использовать для хранения и чтения данных
После всего, что уже было рассказано выше по тексту, с огромной вероятностью создалось впечатление, что сегодня спинтроника существует, в лучшем случае, в лабораториях, а то и просто в умах исследователей. На практике всё иначе. По связанным со спинтроникой принципам работают даже привычные нам жёсткие диски. На отдельных участках пластин, которые в них используются, с помощью специальной магнитной головки происходит изменение ориентации намагниченности — таким образом осуществляется запись информации. Во время чтения другая головка фиксирует состояние участков, определяя, что именно сохранено на накопителе.
Производители регулярно повышают плотность записи информации на жёстких дисках, уменьшая объём каждого конкретного бита. Сегодня для записи и чтения информации используется так называемый процесс гигантского магнитосопротивления, который впервые был открыт ещё в конце 80-х. Именно его изучение дало возможность увеличить объём информации на жёстком диске сначала до 1 ТБ, а потом и до более высоких значений. Следующий уровень развития подобных накопителей находится ещё ближе к квантовой физике. Речь про эффект туннельного магнитосопротивления. Когда он будет достаточно изучен, жёсткие диски произведут небывалый скачок (подробнее про это на сайте IBM).
Спинтроника поможет увеличить эффективность нейронных сетей
Сегодня для работы с нейронными сетями, про что уже шла речь в самом начале данного материала, используется электроника, созданная по полупроводниковым принципам. Для исследователей очевидно, что для таких задач традиционных технологий крайне недостаточно. В это же время человеческий мозг легко обрабатывает данные, с которыми только пытается справиться искусственный интеллект (ИИ). Секрет содержимого человеческой черепной коробки — критически малый размер вычислительных частиц. Чтобы добиться такого же в электронике, сегодня рассматривается только спинтроника — реальных альтернатив данному вектору развития пока нет.
Более того, в современных полупроводниковых компьютерах обычно используется так называемая архитектура фон Неймана, которая предполагает раздельное размещение процессора и памяти. При взаимосвязи между ними теряются заветные мгновения — производительность снижается. Если говорить про электронику на базе спинтроники, которая должна использоваться для подобных вычислений, она обязана обзавестись другой структурой — совместным размещением процессора и памяти. Их роль может выполнять один компонент — искусственный нейрон на базе магнитной структуры. Подобный переворот значительно увеличит потенциал ИИ.
Спинтроника развивается и в безопасности хранения данных
Связанные со спинтроникой разработки касаются не только более быстрой и энергоэффективной работы электроники. Потенциально они также могут обеспечить и безопасное хранение данных. Уже сегодня активно ведутся разработки специальных магнитных логических ячеек, использование которых планируется в пластиковых банковских картах. Для получения доступа к зашифрованным данных, хранящимся в них, будет каждый раз генерироваться уникальная последовательность чисел. Потенциально это значительно увеличит безопасность работы со счетами — особенно в разрезе увеличения распространённости гаджетов для удалённого взлома карт.
Будущее развития спинтроники также за получением энергии
Важный вектор развития спинтроники заключается в получении тепловой и электромагнитной энергии от человеческого тела, а также беспроводного интернета, инфракрасного излучения и не только. Конечно, альтернативным видом возобновляемой энергии подобные проявления сабжа точно не станут. Впрочем, они помогут питать устройства из категории интернета вещей, а также носимую электронику. Да что там, в качестве дополнительного источника питания для мобильных гаджетов спинтроника точно будет интересным решением. Впрочем, это — лишь малая часть её потенциала для мира пользовательской электроники, который может перевернуться с ног на голову.
