Nytenkning må til om fremtidens maskiner skal bli raskere. Og kanskje vel så viktig: strømforbruket må ned.

Ved NTNU jobber forskere med saken.

Egentlig er det ikke datamaskiner han jobber med i det hele tatt. Førsteamanuensis Erik Folven ved Institutt for elektronikk og telekommunikasjon ved NTNU jobber med grunnleggende nanomagnetisme. Nærmere bestemt hvordan magnetisme kan kontrolleres på atomnivå og hvordan slik kontroll kan utnyttes i fremtidens elektronikk.

Vi snakker om en ny og fremvoksende form for elektronikk der vi ikke bare utnytter elektronenes ladning, noe vi har gjort i snart hundre år, men også elektronenes magnetiske egenskaper.

Feltet har fått navnet spinntronikk, siden magnetisme er tett knyttet til en kvantemekanisk egenskap ved elektronet kalt spinn. 

Teknologien begynner å feile

Hvorfor jobbe med mer energieffektiv databehandling?

- En av grunnene er knyttet til problemer med massiv varmeutvikling på moderne microchiper, samt og muligheten til fortsatt å følge en utviklingstrend kjent som Moores lov, sier Erik Folven.

Moores lov ble utformet allerede i 1965. Den sa at antall transistorer på en microchip vil dobles annethvert år. Dette er sauset sammen med et annet postulat som sier at hastigheten på en microchip vil dobles etter 18 måneder.

Poenget er at det stort sett har stemt. Til nå.

Datamaskinene har blitt stadig raskere. Men vi er i ferd med å nå en grense for hvor langt vi kan presse den teknologien vi har basert oss på fram til i dag. Når transistoren, den minste byggeklossen i en microchip, blir mindre og mindre, begynner denne teknologien å feile. Et hovedproblem er at isolerende sjikt begynner å lekke strøm. Disse lekkasjestrømmene skaper varme. Og blir denne varmeutviklingen stor nok vil microchipen bryte sammen.

Dingsene våre sluker strøm

Transistorene er blitt bittesmå, og de kan stadig gjøres mindre. Problemet er at når hver av disse utvikler stadig mer varme, klarer vi ikke lenger å bli kvitt denne varmen ved kjøling.

For å unngå at microchipen smelter kan vi derfor ikke ta i bruk alle transistorene samtidig. I en moderne microchip kan kanskje så lite som 20 prosent av alle transistorene utnyttes samtidig, og ifølge forskere ved UC San Diego vil denne andelen avta eksponentielt fremover om vi ikke finner på noe lurt.

Den andre årsaken til at vi jobber med nye teknologier for energieffektiv databehandling er at computere, mobiltelefoner og andre elektroniske duppeditter bruker så mye elektrisitet, sier Folven videre.

En ting er at vi som forbrukere omgir oss med stadig mer bærbar elektronikk som mobiltelefoner, nettbrett og laptoper. Disse skal drives av et batteri og jo mindre batterikapasitet som går til å generere varme, dess lengre kan det gå mellom hver gang vi trenger å lade. Dessuten er antallet elektroniske dingser og duppeditter i verden nå så svimlende høyt at karbonavtrykket fra disse ikke lenger er ubetydelig.

I USA står nå utstyr som kobles opp mot internett for rundt 10 prosent av det totale strømforbruket, ifølge miljøforskningsguru David Sarokin. Det er enorme mengder i en verden der mange blir stadig mer opptatt av å skåne miljøet. I dag er 1,6 milliarder dingser og duppeditter tilkoblet internett.

Kanskje er det på tide å skrote hele transistoren og begynne på nytt?

Magnetisme istedenfor strøm

Prinsippet for overføring og behandling av data er enkel. Det baserer seg på prosesser som enten er på eller av. Enten 0 eller 1. Ingenting midt imellom. 

I dag gjøres dette ved å flytte rundt på elektroner. Det krever elektrisitet. Mye. Dessuten sløses det vekk mye energi i form av varmeutvikling i transistorene.

Folven og hans medsammensvorne vil bruke magnetisme istedenfor å flytte elektroner. Håpet er at dette skal gi både raskere maskiner og mye lavere strømforbruk.

Helt vanlige magneter har to poler, en nordpol og en sørpol. Det vet alle som har brukt et kompass eller lekt med Brio-tog. Sånn er det på atomnivå også.

Ferromagnetisme er denne vanlige magnetformen, den eneste formen for magnetisme som er sterk nok til at du kan føle den. Grunnen til at et materiale er ferromagnetisk er at alle atomene har magnetismen orientert i samme retning. I sum blir dette til et materiale som oppleves som magnetisk også i makroskopisk målestokk (se illustrasjon 1).

Nanomagnetiske dominorekker

To poler. Igjen noe som er enten slik eller slik, og ikke midt imellom. Altså av eller på. 0 eller 1. Prinsippet som brukes i dagens datamaskiner.

Dette må det da gå an å utnytte til å bygge datamaskiner, mener de som driver med spinntronikk.

Idéen er å plassere ørsmå nanomagneter så tett på hverandre at disse begynner å snakke sammen gjennom sine magnetiske felt.

Ved at retningen på spinnene i en magnet får spinnene i nabomagneten til å snu, som igjen får dennes nabo til å snu sine spinn, kan et magnetisk signal bevege seg som et vannfall. Det minner litt om dominobrikker som står etter hverandre på høykant. Når den første velter, starter en kjedereaksjon som beveger seg bortover rekken av dominobrikker (se illustrasjon 2).

Får forskerne til å lage sånne nanomagnetiske dominorekker har forskere i USA vist at vi kan sende magnetiske signal og gjøre logiske operasjoner eller databehandling på slike signal. Og ikke bare det. Ved å flippe spinn istedenfor å flytte ladning kan dette gjøres nesten uten at det koster energi.

Det er faktisk vist at energikostnaden ved slike beregninger kan komme helt ned mot fysikkens nedre grense, den såkalte Landauer’s limit. Dette er en million ganger mindre energi enn det som blir svidd av i dagens datamaskiner.

For korte rekker

Problemet er bare at forskerne hittil bare har klart å få de magnetiske signalene til å bre seg i svært korte rekker av nanomagneter, kanskje 10 til 15. Når rekkene blir for lange, har enkeltmagneter en lei tendens til å flippe når de ikke skal. Som med dominobrikkene: Hvis en brikke midt inni rekken faller, roter den til det hele. Og 10 til 15 magneter blir det ingen datamaskin av.

For å se dette problemet vil Folven gjøre de nanomagnetiske dominobrikkene mer stabile. Dette skal gjøres ved å bruke en form for magnetiske materialer kjent som antiferromagneter.

I antiferromagneter er det ikke slik at magnetismen på atomnivå er organisert i samme retning, som i de vanlige magnetene. Isteden er denne organisert i et mønster der magnetismen knyttet til ett atom peker i motsatt retning av naboens (se illustrasjon 3).

Magnetiske øyer i en ikkemagnetisk sjø

Folven og hans kollegaer ved NTNU har nylig klart å kontrollere magnetismen i slike antiferromagneter på en helt ny måte.

Dette gjør de ved å utnytte egenskapene til en klasse materialer kjent som komplekse oksider. Disse bygges opp med atomær kontroll og deretter lages nanomagneter ved bruk av elektronstrålelitografi. Folven snakker om å lage magnetiske øyer i en ikkemagnetisk sjø.

Siden magnetismen nulles ut i en antiferromagnet, observerer vi ikke magnetismen i disse stoffene. Du kan ikke henge opp innkjøpslista på kjøleskapet med en antiferromagnet for å si det sånn.

Men antiferromagneter kan påvirke magnetismen i vanlige ferromagneter.

Ved å koble sammen antiferromagneter og ferromagneter i lagdelte strukturer og deretter lage nanomagnetiske dominobrikker av dette, håper Folven å kunne stabilisere rekkene mot termisk støy. Dermed kan det lages komplekse nettverk av vekselvirkende nanomagneter. Dette vil være et stort skritt på veien mot magnetiske datamaskiner.