Tokyo Üniversitesi'nden araştırmacılar, saniyede 40 pikosaniyede durum değiştirebilen, non-volatile (uçucu olmayan) manyetik anahtarlama cihazı geliştirdiklerini duyurdular. Bu yeni teknoloji, önceki ultrafast (ultrahızlı) anahtarlama yöntemlerine kıyasla inanılmaz derecede düşük güç tüketiyor ve çok daha az ısı üretiyor. Bu özellikleriyle, modern yapay zeka (YZ) donanımlarının karşı karşıya olduğu en büyük sorunlardan biri olan devasa veri hareketleri ve depolama ihtiyacının getirdiği enerji ve soğutma gereksinimlerine çözüm sunabilir.
Araştırmacılar, cihazı manganez-kalay (Mn₃Sn) adı verilen bir antiferromanyetik malzeme kullanarak ürettiler. Ultrasonik elektriksel darbelerle bu malzemenin manyetik durumunun güvenilir bir şekilde değiştirilebildiğini ve güç kesildiğinde bile saklanan bilginin korunduğunu gösterdiler. Ayrıca, bir telekom bandı lazeri ve fotodiyottan elde edilen ultrafast fotokurrent darbeleriyle de benzer anahtarlamalar gerçekleştirdiler; bu da optik sinyallerin doğrudan hafıza yazma elektriksel darbelere dönüştürülebileceği anlamına geliyor.
Temel düzeyde modern bilişim, fiziksel durumların değiştirilmesi bilimidir. Bir bilgisayarda gerçekleştirilen her işlem, ister bir oyun çalıştırmak, ister bir YZ modelini eğitmek, ister bir tarayıcı sekmesi açmak veya depolamadan bir dosya yüklemek olsun, nihayetinde milyarlarca hatta trilyonlarca küçük fiziksel durum değişikliğini içerir. Transistörler açılıp kapanır, hafıza hücreleri şarj olup deşarj olur, önbellek durumları güncellenir, veriler ara bağlantılardan geçer ve depolama hücreleri elektronları hapseder veya serbest bırakır.
Bu anahtarlama olayları, ikili bilgiyi fiziksel olarak temsil eden şeylerdir. Sorun şu ki, durumları değiştirmek enerji gerektirir ve bu enerjinin neredeyse tamamı sonunda ısıya dönüşür. Bu gerçek, YZ çağında giderek daha sorunlu hale geliyor. Modern YZ hızlandırıcıları muazzam miktarda veriyi işler. Ancak güç tüketimlerinin büyük bir kısmı yalnızca hesaplamadan değil, aynı zamanda önbellekler, bellek, depolama ve ara bağlantılar arasında bilgiyi sürekli hareket ettirmek ve yenilemekten kaynaklanıyor. GPU kümeleri yüz binlerce hızlandırıcıya ölçeklendikçe, güç dağıtımı ve soğutma endüstrinin en büyük darboğazlarından biri haline geliyor.
Mevcut hafıza teknolojileri durumu farklı şekillerde ele alır, ancak her birinin büyük ödünleşimleri vardır. Bilgisayarlarda, sunucularda ve GPU'larda kullanılan ana sistem belleği olan DRAM, bilgiyi küçük kapasitörlerdeki elektriksel yük olarak depolar. Şarj edilmiş bir kapasitör bir durumu, deşarj olmuş bir kapasitör ise başka bir durumu temsil eder. Ancak bu kapasitörler sürekli olarak yük sızdırır, bu da sistemin veriyi korumak için yalnızca hücreleri saniyede binlerce kez yeniden yenilemesi gerektiği anlamına gelir. Bu sürekli yeniden anahtarlama, sistemler nispeten boşta olsa bile önemli miktarda güç tüketir ve ısı üretir.
SSD'lerde kullanılan Flash hafıza, elektronları sürekli güç olmadan veri saklayan yüzer kapılı yapılarda hapsederek bu sorunu ortadan kaldırır. Öte yandan, bu durumları değiştirmek daha yavaş ve daha fazla enerji gerektirir, bu da Flash'ı yüksek hızlı çalışma belleği için uygunsuz hale getirir.
CPU önbelleklerinde kullanılan SRAM, durumu sürekli olarak sürdüren transistör geri besleme devreleri kullanarak son derece hızlı anahtarlama sağlar. Ancak SRAM önemli miktarda çip alanı ve güç tüketir, bu da onu pahalı ve büyük kapasitelere ölçeklendirmeyi zorlaştırır.
Sektör, SRAM'in hızını, DRAM'in yoğunluğunu, Flash'ın kalıcılığını ve düşük güç tüketimini birleştiren bir tür "evrensel hafıza" arayışında on yıllardır çaba gösteriyor. Ultrafast zaman ölçeklerinde bu zorluk daha da artıyor, çünkü birçok deneysel anahtarlama teknolojisi durumları hızla kararsızlaştırmak ve değiştirmek için büyük ölçüde zorlayıcı ısıtmaya dayanıyor.
Anahtarlama ne kadar hızlıysa, termal sorun o kadar şiddetli hale gelir. Makalede belirtilen pikosaniye ölçeğindeki önceki anahtarlama yaklaşımlarından birkaçı, çalışma sırasında birkaç yüz Kelvin'lik sıcaklık artışlarını içeriyor.
Tokyo araştırmacıları bunun yerine spinotronik olarak bilinen bir alandan radikal olarak farklı bir anahtarlama mekanizması izliyorlar. Bilgiyi elektriksel yük olarak depolamak yerine, spinotronik cihazlar bilgiyi manyetik durumlarda depolar.
Geleneksel manyetik hafızalar tipik olarak ferromanyetikleri kullanır - demir, kobalt veya nikel gibi manyetik momentlerin aynı yönde hizalandığı malzemeler. Yeni cihaz ise komşu manyetik momentlerin büyük ölçüde birbirini iptal ettiği Mn₃Sn adı verilen bir antiferromanyetik malzeme kullanıyor.
Araştırmacılar, antiferromanyetiklerin potansiyel olarak çok daha hızlı anahtarlanabildiği, manyetik girişime daha etkili bir şekilde direnebildiği ve büyük kaçak manyetik alanlar üretmeden daha küçük boyutlara ölçeklenebildiği için ilgileniyorlar.
Araştırmacılar, silikon alt tabakalar üzerine tabakalı Mn₃Sn/Ta yapıları ürettiler ve ardından malzemenin ikili durumları temsil eden iki kararlı manyetik konfigürasyon arasında geçiş yapmak için ultrafast elektriksel darbeler kullandılar.
Kritik olarak, anahtarlama mekanizması öncelikle malzemeyi ısıtmaya dayanmıyor. Bunun yerine, darbeler spin-orbit torku adı verilen ve doğrudan manyetik yapıya açısal momentum aktaran bir işlem gerçekleştirerek, aşırı sıcaklık artışları gerektirmeden manyetik durumu değiştiriyor.
Bu ayrım, makalenin temel iddiasıdır. Araştırma yalnızca yeni bir hafıza türü yaratmakla ilgili değil, aynı zamanda dijital durumların kendilerini değiştirmenin potansiyel olarak daha enerji verimli bir yolunu bulmakla ilgilidir. Şu anda, bilişim donanımı tarafından tüketilen neredeyse tüm elektriksel enerji sonunda ısıya dönüşüyor. Modern YZ altyapısı, GPU kümeleri yüz binlerce hızlandırıcıya ölçeklendikçe zaten ciddi güç ve soğutma sınırlarına ulaşıyor.
Ekibin cihazının, tipik nanosaniye ölçekli hafıza anahtarlamalarından yaklaşık 1.000 kat daha hızlı, yalnızca 40 pikosaniyede anahtarlama sağladığı bildiriliyor. Normalde, anahtarlama hızlarını pikosaniye rejimine itmek, sistemlerin durumları hızla tersine çevirmek için kısmen yoğun geçici ısınmaya dayanması nedeniyle ısı üretimini dramatik bir şekilde artırır.
Ancak, bir cihaz yapılandırmasındaki simülasyonlar, anahtarlama sırasında yalnızca yaklaşık 8 K (14.4°F) sıcaklık artışı gösterdi. Bu, araştırmacıların mekanizmanın öncelikli olarak doğrudan açısal momentum aktarımına dayandığı ve zorlayıcı termal anahtarlamaya değil, iddialarını destekliyor. Bu aynı zamanda Mn₃Sn cihazının önceki ultrafast hafıza araştırmalarını rahatsız eden ısı sorunlarının çoğundan kaçınabileceğini de doğruluyor.
Optik anahtarlama gösterimi, gelecekteki veri merkezi mimarileri için de önemli olabilir. Araştırmacılar bir telekom bandı lazeri ve fotodiyottan 60 picosaniyelik fotokurrent darbeleri ürettiler ve ardından bu darbeleri cihazın manyetik durumunu değiştirmek için kullandılar.
Bu, nihayetinde daha geniş endüstri çabalarıyla optik ara bağlantılar ve silikon fotonik ile uyumlu olabilir; burada büyük ölçekli veri merkezleri, bilgiyi geleneksel elektriksel sinyaller yerine ışık kullanarak iletmenin yollarını giderek daha fazla arıyor.
Eğer bu gibi teknolojiler ticari olarak uygulanabilir hale gelirse, teorik olarak hafıza yenileme yükünü azaltabilir, soğutma gereksinimlerini düşürebilir, boşta güç çekimini azaltabilir ve potansiyel olarak hafıza ve depolama arasındaki ayrımı bulanıklaştırabilir. Kişisel bilişim için bu, çalışma belleği içeriğini bekleme gücü olmadan saklayan, anında yeniden başlayan ve daha az ısı üreten sistemlere dönüşebilir. Büyük ölçekli YZ altyapısı için ise, etkileri daha çok devasa GPU kümelerinde güç verimliliği ve soğutma azaltmaya odaklanacaktır.
Ancak şimdilik, teknoloji büyük ölçüde deneysel kalıyor. Mevcut cihazlar, üretilebilir hafıza çiplerinden ziyade küçük laboratuvar yapılarıdır ve makale, mevcut uygulamanın deterministik anahtarlama için hala harici bir sapma manyetik alanına ihtiyaç duyduğunu belirtiyor - bu, ticari donanımlar için büyük bir pratik sınırlamadır.
Üretim ölçeklenebilirliği, dayanıklılık doğrulaması, maliyet rekabetçiliği ve mevcut CMOS üretim süreçleriyle entegrasyon da çözülmemiş sorunlar olmaya devam ediyor. Bilişim tarihi, olgun DRAM veya NAND ekosistemlerini asla yerinden edemeyen umut verici "yeni nesil hafıza" teknolojileriyle doludur. Yine de, çalışma, bilişim endüstrisindeki artan bir gerçeği vurguluyor: gelecekteki performans kazanımları, transistörleri küçültmekten ziyade, bilgiyi fiziksel olarak değiştirmek, hareket ettirmek ve depolamak için gereken enerjiyi azaltmaya bağlı olabilir.
