Pamięć z wirów nadprzewodzących zbliża się do granicy Landauera, ale wciąż ma poważne ograniczenia

Komputery nie mogą usuwać informacji za darmo. Zgodnie z zasadą sformułowaną przez fizyka Rolfa Landauera każda operacja kasowania bitu wiąże się z minimalnym kosztem energetycznym, zależnym od temperatury. Zespół z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie oszacował, że pamięć oparta na pojedynczym wirze nadprzewodzącym może działać przy zużyciu energii około pięć razy większym od tej granicy.

To obiecujący wynik, ale nie oznacza jeszcze, że powstała praktyczna i wyjątkowo energooszczędna pamięć. Urządzenie wymaga temperatury bliskiej zera absolutnego, a koszt jego chłodzenia nie został uwzględniony w porównaniu z typowymi układami.

Bit zapisany w nadprzewodzącym wirze

W cienkiej warstwie nadprzewodnika pole magnetyczne może tworzyć maleńkie wiry prądu, nazywane wirami Abrikosowa. Każdy z nich przenosi skwantowany strumień magnetyczny, a niejednorodności materiału mogą zatrzymywać go w określonych miejscach.

Badacze wykorzystali tę właściwość, by zapisać informację. Wykonany z niobu pasek o grubości 55 nanometrów i szerokości 10 mikrometrów schłodzili do 4,2 kelwina, czyli około –269°C. Odpowiednio dobrany prąd przesuwał pojedynczy wir między dwoma sąsiednimi położeniami: jedno mogło oznaczać zero, a drugie jedynkę.

Następnie naukowcy poruszali wirem za pomocą prądu zmiennego i obserwowali jego ruch przy użyciu mikroskopu z czujnikiem SQUID umieszczonym na końcówce sondy. Analiza opóźnienia ruchu względem wymuszenia pozwoliła oszacować, ile energii układ traci podczas pracy.

Blisko granicy, ale nie wprost zmierzone

Granica Landauera opisuje minimalną energię potrzebną do nieodwracalnego skasowania bitu. W temperaturze pokojowej wynosi około 2,9 zeptodżula, a wraz ze spadkiem temperatury maleje. Zespół oszacował, że dla badanego układu koszt mógłby wynosić około pięciokrotności tej wartości.

Trzeba jednak podkreślić, że nie był to bezpośredni pomiar energii rzeczywistego kasowania bitu. W eksperymencie wir był nieustannie wprawiany w ruch, natomiast wynik dotyczący operacji kasowania uzyskano za pomocą obliczeń numerycznych opartych na zebranych danych. Autorzy sami zaznaczają, że ciągłe, sinusoidalne wymuszanie nie odpowiada procedurze kasowania informacji opisanej przez zasadę Landauera.

Wynik należy więc traktować jako oszacowanie, a nie demonstrację pamięci wykonującej kasowanie z energią pięć razy wyższą od fizycznego minimum. W komunikacie uczelni pojawiło się również porównanie sugerujące przewagę rzędu miliona razy nad konwencjonalnymi komputerami. Nie uwzględnia ono jednak energii potrzebnej do utrzymania kriogenicznej temperatury, co może znacząco zmienić bilans całego systemu.

Komentarz autora: Wynik jest interesujący, ale łatwo wyciągnąć z niego zbyt daleko idące wnioski. Warto odróżnić oszacowanie energetyczne od demonstracji działającej pamięci. O praktycznej przydatności rozwiązania zdecydują także chłodzenie, szybkość i stabilność zapisu.

Recenzenci zwrócili uwagę na ograniczenia

Publikacji towarzyszyła nietypowo otwarta dyskusja recenzentów. Jeden z nich zakwestionował twierdzenie, że badacze bezpośrednio zmierzyli pracę wykonaną na wirze, argumentując, że część wielkości została wywnioskowana lub oszacowana. Zasugerował też dodatkowe doświadczenia, między innymi pokazanie, jak wir trafia do jednego z dwóch stanów i jak często samoczynnie przeskakuje między nimi w różnych temperaturach.

Autorzy nie przeprowadzili tych testów. Wskazali między innymi na ograniczenia związane z dryfem skanowania, utrudniające dokładne obrazowanie nieruchomego stanu, oraz na to, że zmiana temperatury wpływa również na właściwości miejsc zatrzymujących wir. Inny recenzent uznał pracę za oryginalną i rzetelną, przestrzegając, że dodatkowe eksperymenty mogłyby znacznie opóźnić publikację.

Energooszczędność konkuruje z szybkością i trwałością

Nawet jeśli uda się zbliżyć do granicy Landauera, osiągnięcie jej wymaga czasu. Koszt energetyczny operacji rośnie wraz z jej szybkością, a oszacowanie zespołu dotyczyło pracy przy częstotliwości 150 kHz — pojedyncza operacja trwałaby więc około 6,7 mikrosekundy. Dla porównania, nadprzewodzące układy logiczne osiągały już częstotliwości rzędu 6 GHz.

Pojawia się też problem stabilności zapisu. Z danych dotyczących szumu wynika, że w dwóch położeniach wykorzystywanych w eksperymencie wir spontanicznie przeskakiwał między stanami około 3000–7000 razy na sekundę. Oznacza to, że informacja w najbardziej energooszczędnej konfiguracji mogłaby nie utrzymać się nawet przez milisekundę.

Badacze twierdzą, że operacje mogą być wykonywane szybciej niż takie przypadkowe przeskoki. Nie pokazali jednak jednocześnie konfiguracji, która zbliżałaby się do minimum energetycznego i zapewniała długotrwałe przechowywanie danych. W praktyce trzeba więc znaleźć kompromis między zużyciem energii, szybkością działania i trwałością zapisu.

Obiecujący eksperyment, nie gotowa pamięć

Wykorzystanie wirów nadprzewodzących do przechowywania informacji nie jest zupełnie nowym pomysłem. Wkład zespołu z Jerozolimy polega przede wszystkim na oszacowaniu energetycznego kosztu przemieszczania pojedynczego wiru między dwoma stanami.

Eksperyment pokazuje, że fizyczny limit energooszczędnego kasowania można badać w układach znacznie mniejszych niż klasyczne elementy pamięci. Na razie nie dowodzi jednak, że taka technologia będzie oszczędniejsza w codziennym zastosowaniu. Do tego potrzebne byłyby między innymi szybsze operacje, stabilniejszy zapis i uwzględnienie energii pobieranej przez chłodzenie.