pravidelné páteční „přetištění“ staršího článku (poznámka: nakolik vyšly prognózy na 10 let, zmiňované v článku – původně vyšel před 9 lety…)
Hlavní překážku zrychlování konvenčních procesorů, pracujících na bázi přenosu elektrických proudů v polovodičích, představuje zahřívání, které doprovází zvyšování operačních frekvencí a zmenšování rozměrů čipů. Fyzikální mez současných technologií je již nebezpečně blízko – pravděpodobně nás od ní dělí méně než 10 let vývoje. Další urychlování výpočtů bude proto vyžadovat nové fyzikální principy. Zatím nejperspektivněji se v tomto směru jeví cesta založená na využití vlastnosti elektronů nazývané spin. Nově vznikající obor nese jméno spintronika.
Spin se vlastně již dávno využívá při zápisu dat. Ve feromagnetech, jako je železo nebo kobalt, se spiny valenčních elektronů uspořádávají tak, že míří ve stejném směru, nastaveném například orientací dočasně působícího vnějšího magnetického pole. Zmagnetované plošky povrchu harddisku dokáží díky tomu uchovávat nuly a jedničky zapsané informace.
Co je to spin?
Spin lze definovat jako vlastní „setrvačníkovou“ rotaci částice, nezávisející např. na tom, jak elektron „obíhá“ na orbitě kolem atomového jádra. Obraz částice jako otáčející se nabité kuličky, která s sebou nese určitý moment hybnosti (podobně jako setrvačník) a odpovídající magnetický moment (způsobený cyklickým pohybem náboje při rotaci), je sice velmi názorný, ale zároveň trochu zavádějící. Elektrony nejsou prostorová „tělíska“ v obvyklém slova smyslu. Spin je ryze kvantovou vlastností a podle toho se také chová – jeho projekce do libovolného směru není libovolná, jako by tomu bylo u rotující kuličky, ale může nabývat jen kvantovaných hodnot – spin elektronu míří buď „nahoru,“ nebo „dolů“.
Místo náboje spin
Spintronika chce spin elektronů zapojit také do zpracování informace v procesorech. Když feromagnetem prochází proud, jedna ze dvou možných spinových orientací elektronů vzhledem ke směru magnetizace prostředí je pohlcována více než druhá, takže vzniká spinově polarizovaný proud. Změny polarizace takovýchto spinových proudů pak mohou reprezentovat jednotlivé operace výpočtu. Výhodou oproti standardním procesorům, které využívají nepolarizovaných proudů, je vyšší rychlost a nižší energetická náročnost (tedy menší produkované teplo) spinových operací.
Technologie využívající spinu elektronů se podle své náročnosti dělí do třech kategorií. Do první, nejjednodušší kategorie spadají počítačové prvky na bázi kovů. Některá taková zařízení se v současných počítačích již běžně používají, u jiných je jejich uvedení na trh pravděpodobně otázkou blízké budoucnosti.
Druhou kategorii tvoří magnetické polovodičové prvky, jež by byly analogií současných čipů, ale místo náboje elektronu by jako nosičů informace používaly spin. Právě tato zařízení by znamenala revoluční zvrat technologie, umožňující další podstatný nárůst operační rychlosti procesorů. Jejich konstrukce se však dosud potýká se závažnými problémy, takže se pravděpodobně jedná o hudbu budoucnosti v horizontu odhadnutelném na zhruba 10 let.
Nejnáročnější třetí kategorie spintronických zařízení patří v současné době spíše do žánru sci-fi: uvažuje se o manipulaci se spiny jednotlivých elektronů, čímž by se otevřela cesta ke konstrukci spinového kvantového počítače.
Magnetické paměti
Spintronickým zařízením první kategorie jsou již dobře známé spinové čtecí hlavy diskových jednotek, které umožnily až 40násobné zvýšení kapacity pevných disků za posledních 7 let.
Fyzikálním principem „spinových ventilů“, které jsou hlavní komponentou nové diskové technologie, je jev tzv. obří magnetorezistence (Giant Magneto Resistance, GMR), který spočívá v silném ovlivnění elektrického odporu vodiče velmi malými změnami magnetického pole. Vrstva nemagnetického kovu je vložena mezi dvě vodivé feromagnetické vrstvy (viz obrázek). Zatímco magnetizace horní vrstvy je neměnná, dolní vrstva se orientuje podle směru magnetizace čteného záznamu. Jsou-li orientace obou feromagnetických vrstev stejné (na obrázku vpravo), jednotkou protéká proud elektronů se souhlasnou orientací spinu. Naopak, jsou-li obě orientace opačné (na obrázku vlevo), cesta elektronům obou polarizací je uzavřena. Tento efekt je až 200krát silnější než obyčejná magnetorezistence, což dovoluje čtení mnohem slabších magnetických záznamů, a tedy řádové zahuštění zápisu informace na pevných discích. Jinou aplikací jevu GMR jsou ultracitlivé magnetické senzory, používané např. pro monitorování pohybu mechanických součástí motorů apod.
Dalším spintronickým zařízením na bázi kovů jsou magnetické paměti typu RAM, tzv. MRAM, jejichž uvedení na trh je již netrpělivě očekáváno. Slibná varianta paměti MRAM počítá s využitím sendvičové struktury dvou kovových feromagnetických vrstev, oddělených tenkou izolační mezivrstvou. Ta nutí elektrony k dalšímu v klasickém světě neobvyklému výkonu, totiž kvantovému tunelování.
Stejně jako v případě spinového ventilu platí, že element propouští proud jen tehdy, jsou-li polarizace obou feromagnetických vrstev souhlasné – v takovém případě je přečtena binární hodnota 1. Při opačné orientaci feromagnetických vrstev proud neprochází – element nese hodnotu 0.
K výhodám pamětí MRAM patří nízká cena, malé rozměry, energetická nenáročnost a zároveň velká rychlost. Tyto vlastnosti by znamenaly spojení předností dnešních dvou paměťových standardů – statických a dynamických RAM -, ale zároveň i jejich dramatické překonání. Informace zapsaná v paměti MRAM navíc nezmizí ani po odpojení energetického zdroje, takže by odpadlo každodenní bootování systému po zapnutí počítače.
Ve druhém díle se podíváme na možnosti využití spinotroniky při konstrukci mikroprocesorů a kvantových počítačů.
