Za napredek računalništva so potrebni novi pristopi

ian mihailovič
Ian Mihailovič (foto: osebni arhiv)

Računalništvo je v devetdesetih letih in začetku novega tisočletja bliskovito napredovalo tako na področju hitrosti procesorjev kot spomina. Še nedavno uporabljane diskete služijo danes zgolj kot podstavek za kozarec, nekaj let stari računalniki pa so pristali v kleteh ali smeteh. A dandanes že laik lahko opazi, da se je skokovitost hitrosti računalnikov nekoliko upočasnila. Novejše tehnologije, ki so trenutno v uporabi, imajo zaradi fizikalnih omejitev zmanjševanja polprevodniških struktur težavno prihodnost.

Z namenom nadaljnega povečanja hitrosti in napredka računalnikov se je po znanstvenih inštitucijah in podjetjih v zadnjih letih pojavil intenziven razvoj novih vrst računalniških elementov. Eno od teh novih, morebiti bodočih vrst spomina, so med raziskovanjem faznih sprememb odkrili raziskovalci Odseka za kompleksne snovi F7 na Institutu Jožef Stefan, pod vodstvom prof. dr. Dragana Mihailovića. Odkritje, ki je bilo objavljeno v reviji Science je takrat poželo veliko zanimanja.

Zakaj gre pri faznih spremembah snovi?

Fazne spremembe snovi, ki nastanejo zaradi zunanjih vplivov, bodisi spremembe temperature, tlaka, dovajanja energije in drugih faktorjev, vodijo do spremenjene atomske strukture, kar se lahko odraža v spremembah upornosti, magnetnih ali optičnih in drugih lastnosti. Takšno fazno spremembo so raziskovalci F7 z ugotovitvijo, da je mogoče s kratkim laserskim sunkom hipno spremeniti upornost, odkrili v tantalovem disulfidu. Nadaljni poskusi so pripeljali do dognanja, da se pri nizkih temperaturah ta upornost zadrži dolgo časa, ektrapolirano, dlje od starosti vesolja.

V nedavnem članku, objavljenem 17. julija v znanstveni reviji Science Advances, kjer sem sodeloval kot del tima tudi sam, smo pojasnili kompleksen mehanizem delovanja ter kontrole relaksacij pri preklopih upornosti v omenjenem materialu in s tem dosegli globje razumevanje faznega prehoda. Vse skupaj je spodbudilo plaz raziskav v vodilnih svetovnih laboratorijih in odprlo pot nadaljnemu razvoju tovrstnih spominov.

IMG_1297
Eno izmed merilnih mest laboratorijev F7.

Takšne fazne spremembe je mogoče v različnih izvedbah uporabiti na področju računalniškega spomina. V tem primeru gre za optično proženo spremembo upornosti z višje na nižjo vrednost – se pravi dveh nivojev, ki jih v svetu računalništva lahko interpretiramo kot ničlo in enico. Nizko upornost je nato mogoče z lokalnim segrevanjem vrniti na višjo vrednost in tako vzpostaviti prvotno stanje.

Spomine z optičnim načinom zapisa podatkov že poznamo v obliki trajnih spominskih medijev kot sta CD in Bluray. Takšen spomin upočasnjuje mehanska hitrost vrtenja diska, na katerega sveti laser, kar predstavlja zelo omejujoč faktor.

Bolj kot optični, je torej uporaben element, v katerega lahko zapisujemo in brišemo podatke z električnimi signali. Nadaljni poskusi so nas privedli do odkritja, da je omenjene preklope upornosti mogoče prožiti tudi z električnimi signali, a za zdaj je to raziskovalno delo še v fazi objave.

IMG_0996
Merilni sistem s štirimi premikajočimi se konicami za dotik kontaktov na manjšem vzorcu tantalovega disulfida. Komoro se nato vakumsko zatesni in pod njo dovaja tekoči helij za hlajenje do nizkih temperatur.

Za dobro razumevanje procesov takšnih odkritih učinkov je potrebno z različnimi eksperimenti s spremenjenimi parametri karakterizirati spominski element. V ta namen smo merili odvisnosti preklopov in relaksacij upornosti od velikosti vzorca, različnih geometrij, temperature, dolžine dovedenih sunkov in mnogih drugih parametrov, po čemer smo nato lahko sklepali dogajanje na kvantnem nivoju in opisali teoretični model delovanja.

Preklopi tu delujejo le pri majhnih dimenzijah elementov, saj v primeru večjih potrebujemo dovesti več moči za preklop, zato so bili vzorci aktivnega materiala – tantalovega disulfida, debeline le nekaj deset nanometrov.

Pri nanotehnologiji se soočamo z zelo majhnimi dimenzijami, zato so metode nekoliko drugačne od konvencionalnih.

Za opazovanje seveda potreben optični ali elektronski mikroskop, pri merjenju električnih lastnosti pa se pojavlja problem povezovanja kontaktov. V ta namen se čez nanometrsko rezino aktivnega materiala z litografijo nanese zlate proge, ki vodijo do večjih kontaktov, ki se jih lahko nato dotaknemo z majhnimi konicami in preko njih pošiljamo električne signale.

IMG_3015
Kriostat za hlajenje in vzorec z litografskim vezijem, ki je od manjših kontaktov s tanko zlato žico povezano na večje priključke.

Nove tehnologije spomina, ki se pojavljajo v zadnjem času, imajo vsaka svoje prednosti in pomanjkljivosti. Prednost našega odkritega spomina se kaže predvsem v hitrosti delovanja, saj laserski in električni preklopi upornosti potekajo rekordno hitro. Morebitno razširjeno uporabo odkritja za zdaj omejuje nizkotemperaturno območje delovanja, ki pa naj bi ga bilo z različnimi izboljšavami potencialno mogoče dvigniti tudi na sobno temperaturo. Spomin kaže potencial tudi pri uporabi v centraliziranih računalniških bazah, kjer je hlajenje vseprisotno in nizkih temperatur ni težko doseči. Takšne baze se zaradi vzpostavljajočih trendov ”cloud” dostopa v računalništvu pojavljajo vse pogosteje.

Povsem očitno je, da so za napredek računalništva potrebni novi pristopi in zato so tovrstne raziskave nujno potrebne.

Težko je napovedati obliko ali časovni okvir uporabnosti ali uporabne vrednosti takšnih raziskav, a preteklost kaže, da slej ko prej pride do prenosa znanja na različna področja – fazni prehodi so nenazadnje tudi predmet proučevanja pri raziskavah o nastajanju vesolja.

Merjenje preklopov v optičnem laboratoriju - posoda s tekočim helijem na desni dovaja helij za hlajenje do namiznega kriostata z vzorcem. Na mizi so nosilci z lečami, zrcali in optičnimi komponentami, ki spreminjajo dovedeni laserski snop.
Merjenje preklopov v optičnem laboratoriju – posoda s tekočim helijem na desni dovaja helij za hlajenje do namiznega kriostata z vzorcem. Na mizi so nosilci z lečami, zrcali in optičnimi komponentami, ki spreminjajo dovedeni laserski snop.

Izzivov v nanotehnologiji je veliko, a ekipa študentov in raziskovalcev Igor Vaskivskyi, Jan Gospodarič, Serguei Brazovskii, Damjan Svetin, Petra Sutar, Evgeny Goreshnik, Ian A. Mihailovič, Tomaž Mertelj, Ljupka Stojchevska, Dragan Mihailović se veseli reševanja in odkrivanja novih problemov na tem področju.

 

ian mihailovič
Ian Mihailovič (foto: osebni arhiv)

Avtor: Ian Mihailovič, diplomirani inženir elektronike ljubljanske Fakultete za elektrotehniko. Po raziskovalskih izkušnjah na Institutu Jožef Stefan in v laboratorijih Los Alamosa, se pripravlja na podiplomski študij nanoelektronike. Zanima ga komponiranje glasbe in sinteza zvoka, obožuje glasbene inštrumente. Kot avtor sodeluje v znanstveni medredakciji na Radiu Študent. Na Twitterju ga najdete pod @kozmoknight.

 

Fotografije: Ian Mihailovič.

 

Več od Metina lista

Even easily accessible berries have their price

Recently a news story broke in Australia that due to the consumption...
Beri dalje