Procesor tysiąc razy szybszy i bez przegrzewania. Nowe urządzenie zmienia zasady gry

„To urządzenie mogłoby sprawić, że procesory będą działać tysiąc razy szybciej, bez generowania dodatkowego ciepła odpadowego” – mówią naukowcy z Japonii. Brzmi jak science fiction? A jednak to rzeczywistość. Zespół badaczy z Uniwersytetu Tokijskiego i RIKEN opublikował w prestiżowym czasopiśmie Science wyniki prac nad elementem przełączającym, który może zrewolucjonizować obliczenia w centrach danych.

40 pikosekund zamiast nanosekundy

→ Czytaj też: 200 razy wydajniejsze od poprzednika. Nowe układy AMD zmienią twojego chatbota?

Nowe urządzenie, nazwane „nieulotnym elementem przełączającym” (non-volatile switching element), przetwarza jeden bit – najmniejszą jednostkę informacji – w zaledwie 40 pikosekund. Dla porównania: konwencjonalne układy scalone potrzebują na to co najmniej nanosekundy, czyli czasu tysiąc razy dłuższego. Różnica jest kolosalna, ale to nie wszystko.

Tradycyjne procesory im szybciej pracują, tym więcej wytwarzają ciepła. Każdy, kto słyszał głośniejszą pracę wentylatora w laptopie podczas grania, wie, o czym mowa. W skali centrów danych problem urasta do gigantycznych rozmiarów – tysiące serwerów generują tyle energii cieplnej, że konieczne są zaawansowane systemy chłodzenia, które same pochłaniają ogromne ilości prądu.

Jak działa przełącznik z antyferromagnetyka?

→ Czytaj też: 256 rdzeni i 512 wątków. AMD właśnie ujawniło, jak zmieni się twoje korzystanie z AI

Kluczem do sukcesu okazało się połączenie dwóch materiałów: tantalu (Ta) i Mn₃Sn – związku manganu i cyny o właściwościach antyferromagnetycznych. Naukowcy ułożyli je w ultracieńkie warstwy na krzemionkowym podłożu. Tantal, jako metal ogniotrwały, magazynuje i uwalnia energię elektryczną, a Mn₃Sn zapewnia stabilność magnetyczną odporną na zewnętrzne zakłócenia.

Następnie zespół wykorzystał ultraszybki generator impulsów świetlnych, który wysyłał błyski trwające 60 pikosekund. Każdy impuls trafiał do fotodetektora, a ten przekazywał sygnał do elementu przełączającego. Gdy urządzenie odbierało impuls, zmieniał się spin elektronów w materiale, co rejestrowano jako minimalną siłę magnetyczną. Co ważne – do utrzymania informacji nie był potrzebny stały przepływ prądu.

„W testach laboratoryjnych element przełączający wykonał ponad miliard cykli, działając niezawodnie i stabilnie” – podkreślają autorzy badania w Science.

Mniej ciepła, mniejsze rachunki

Najważniejsze jest jednak to, czego urządzenie nie robi: nie generuje nadmiarowego ciepła. W przeciwieństwie do klasycznych procesorów, gdzie każdy wzrost wydajności oznacza wzrost temperatury, nowy przełącznik pracuje w sposób, który minimalizuje straty energii. To może diametralnie zmienić ekonomikę centrów danych, gdzie koszty chłodzenia stanowią znaczącą część wydatków operacyjnych.

Jak zaznaczają naukowcy, ciepło odpadowe jest obecnie główną barierą w skalowaniu mocy obliczeniowej serwerowni. Nowe urządzenie usuwa to ograniczenie, otwierając drogę do budowy znacznie wydajniejszych systemów bez konieczności rozbudowy infrastruktury chłodzącej.

Droga do komercjalizacji – wyzwania i perspektywy

Zanim jednak nowa technologia trafi do komercyjnych serwerów, trzeba pokonać kilka przeszkód. Tantal to metal rzadki i już dziś bardzo poszukiwany, co może rodzić problemy z dostępnością surowca. Ponadto urządzenie musi zostać przetestowane poza warunkami laboratoryjnymi, gdzie czynniki zewnętrzne mogą wpływać na jego działanie.

Mimo to naukowcy są optymistami. Szacują, że prototypowy układ scalony mógłby być gotowy już w 2030 roku. Kolejnym krokiem będzie opracowanie komercyjnie opłacalnej metody produkcji na masową skalę. Zespół planuje też dalsze zmniejszenie grubości warstwy Mn₃Sn, co powinno jeszcze bardziej obniżyć zużycie energii.

Jeśli te plany się powiodą, centra danych przyszłości mogą być nie tylko tysiąc razy szybsze, ale też znacznie bardziej przyjazne dla środowiska. A to dopiero początek – podobne rozwiązania mogą znaleźć zastosowanie w superkomputerach, sztucznej inteligencji, a nawet w codziennych urządzeniach elektronicznych.