Op Magnon gebaseerde berekeningen kunnen een signaal zijn voor een verschuiving in het computerparadigma

Net als elektronica of fotonica is magnonics een technisch subveld dat tot doel heeft informatietechnologieën vooruit te helpen als het gaat om snelheid, apparaatarchitectuur en energieverbruik. Een magnon komt overeen met de specifieke hoeveelheid energie die nodig is om de magnetisatie van een materiaal te veranderen via een collectieve excitatie die een spingolf wordt genoemd.

Omdat ze interageren met magnetische velden, kunnen magnonen worden gebruikt om gegevens te coderen en te transporteren zonder elektronenstromen, wat gepaard gaat met energieverlies door verwarming (bekend als Joule-verwarming) van de gebruikte geleider. Zoals Dirk Grundler, hoofd van het Lab of Nanoscale Magnetic Materials and Magnonics (LMGN) aan de School of Engineering uitlegt, vormen energieverliezen een steeds grotere barrière voor elektronica, aangezien datasnelheden en opslagbehoeften enorm stijgen.

“Met de komst van AI is het gebruik van computertechnologie zo sterk toegenomen dat energieverbruik de ontwikkeling ervan bedreigt”, zegt Grundler. “Een groot probleem is de traditionele computerarchitectuur, die processors en geheugen scheidt. De signaalconversies die betrokken zijn bij het verplaatsen van gegevens tussen verschillende componenten vertragen de berekening en verspillen energie.”

Deze inefficiëntie, bekend als de geheugenmuur of Von Neumann-bottleneck, heeft ertoe geleid dat onderzoekers op zoek zijn naar nieuwe computerarchitecturen die de eisen van big data beter kunnen ondersteunen. En nu gelooft Grundler dat zijn lab op zo’n “heilige graal” is gestuit.

Terwijl hij andere experimenten deed op een commerciële wafel van de ferrimagnetische isolator yttrium-ijzergranaat (YIG) met nanomagnetische strips op het oppervlak, LMGN Ph.D. student Korbinian Baumgaertl werd geïnspireerd om nauwkeurig ontworpen YIG-nanomagneetapparaten te ontwikkelen. Met de steun van het Center of MicroNanoTechnology was Baumgaertl in staat om spingolven in de YIG op specifieke gigahertz-frequenties op te wekken met behulp van radiofrequente signalen, en – cruciaal – om de magnetisatie van de nanomagneten aan het oppervlak om te keren.

“De twee mogelijke oriëntaties van deze nanomagneten vertegenwoordigen magnetische toestanden 0 en 1, waardoor digitale informatie kan worden gecodeerd en opgeslagen”, legt Grundler uit.

Een route naar berekeningen in het geheugen

De wetenschappers deden hun ontdekking met behulp van een conventionele vectornetwerkanalysator, die een spingolf door het YIG-nanomagneetapparaat stuurde. Omkering van nanomagneet vond alleen plaats wanneer de spingolf een bepaalde amplitude bereikte en kon vervolgens worden gebruikt om gegevens te schrijven en te lezen.

“We kunnen nu laten zien dat dezelfde golven die we gebruiken voor gegevensverwerking kunnen worden gebruikt om de magnetische nanostructuren te schakelen, zodat we ook niet-vluchtige magnetische opslag binnen hetzelfde systeem hebben”, legt Grundler uit, eraan toevoegend dat “niet-vluchtig” verwijst naar de stabiele opslag van gegevens over lange perioden zonder extra energieverbruik.

Het is dit vermogen om gegevens op dezelfde plek te verwerken en op te slaan dat de techniek het potentieel geeft om het huidige computerarchitectuurparadigma te veranderen door een einde te maken aan de energie-inefficiënte scheiding van processors en geheugenopslag, en het bereiken van wat bekend staat als in-memory berekening.

Optimalisatie aan de horizon

Baumgaertl en Grundler hebben de baanbrekende resultaten in het tijdschrift gepubliceerd Natuurcommunicatieen het LMGN-team werkt al aan het optimaliseren van hun aanpak.

“Nu we hebben aangetoond dat spingolven gegevens schrijven door de nanomagneten van toestand 0 naar 1 te schakelen, moeten we werken aan een proces om ze weer terug te schakelen – dit staat bekend als toggle-switching”, zegt Grundler.

Hij merkt ook op dat de magnonische benadering in theorie gegevens zou kunnen verwerken in het terahertz-bereik van het elektromagnetische spectrum (ter vergelijking: huidige computers werken in het langzamere gigahertz-bereik). Ze moeten dit echter nog experimenteel aantonen.

“De belofte van deze technologie voor duurzamere computers is enorm. Met deze publicatie hopen we de belangstelling voor op golven gebaseerde berekeningen te versterken en meer jonge onderzoekers aan te trekken voor het groeiende gebied van magnonics.”