Je leest:

‘Magnetica’ is een miljoen keer zuiniger

‘Magnetica’ is een miljoen keer zuiniger

Auteur: | 8 juli 2011

Computerchips kunnen vele malen zuiniger met hun energie omgaan. Tenminste, als je in plaats van elektronen – zoals in de huidige computerchips – gebruik zou maken van piepkleine nanomagneetjes. Volgens Amerikaanse onderzoekers zou zo’n ‘magnetische PC’ een miljoen keer minder energie gebruiken.

Magneten zijn geen vreemden in het binnenste van een computer. De opslag in een computer vindt al magnetisch plaats, op je harde schijf. Maar sinds een aantal jaar proberen wetenschappers ook het ‘rekencentrum’ van computers van magnetische onderdelen te bouwen. Niet dat zulke ‘magnetische computers’ binnenkort de winkels gaan vullen, maar interessant is wel dat je blijkbaar ook op een compleet andere manier computerchips kunt bouwen. Een manier die ook nog eens heel energiezuinig is.

Magneten rekenen in groepen

Dat je berekeningen kunt doen met magneten is eigenlijk vrij logisch, als je erover nadenkt. Een magneet heeft een noord- en een zuidpool, die de 0 en 1 kunnen voorstellen in computertaal. De oriëntatie van de magneet bepaalt welke waarde (0 of 1) hij heeft. Meerdere magneetjes dicht bijeen kunnen elkaars gedrag beïnvloeden. Zo kun je dus in theorie informatie (in de vorm van nullen en enen) opslaan en bewerken, net als computers dat nu doen met bewegende elektronen. Men spreekt van nanomagneten omdat het gaat om magneetjes met een afmeting van zo’n honderd bij tweehonderd nanometer.

Boven: afbeeldingen gemaakt met röntgenstraling. Lichte vlekken zijn nanomagneten met de noordpool onder (in de tekening rood), donkere vlekken zijn magneten met noordpool boven (blauw). De zes nanomagneten vormen een logische poort. Horizontale buren neigen tegengesteld te wijzen, verticale buren wijzen graag dezelfde kant op.
Bokor Lab / UC Berkeley

In 2006 liet een team van de Universiteit van Notre Dame (Indiana, VS) zien dat je inderdaad met een combinatie van magneten een berekening kunt uitvoeren. Met zestien gekoppelde nanomagneten bouwden ze een zogenaamde logische poort, een schakeling die ook in de huidige computers wordt gebruikt. Toen al zagen de betreffende onderzoekers dat deze schakeling veel minder energie verbruikte dan dezelfde schakeling met transistoren.

Weg warmte

Waar zit de grote energiewinst van rekenen met magneten? Heel simpel: ze worden niet warm. De elektronen die door onze computerchips zoeven, moeten voortdurend in beweging gehouden worden. Daarbij gaat een deel van de energie door wrijving verloren als warmte. Om oververhitting te voorkomen, bevatten computers van die lawaaiige ventilatoren die de boel moeten koelen. Een chip die met magneten rekent, bevat geen bewegende deeltjes en ontwikkelt daarom geen warmte. Een magnetische PC zal dus nooit oververhit raken.

De Landauer-limiet

Volgens de tweede wet van de thermodynamica kun je simpel gezegd onmogelijk arbeid verrichten zonder daarbij energie te verliezen. Met andere woorden: honderd procent efficiëntie bestaat niet. De Duitse natuurkundige Rolf Landauer paste dit gegeven vijftig jaar toe op het uitvoeren van computerbewerkingen. Hij berekende hoeveel energie je minimaal kwijt raakt bij een gegeven temperatuur voor een bewerking. Dat staat tegenwoordig bekend als de Landauer-limiet.

Onderzoekers van de Berkeley-universiteit in Californië hebben de energiewinst nu in cijfers uitgedrukt. Ze berekenden – door gebruikmaking van computersimulaties – dat bij een ‘magnetische chip’ per bewerking (zoals het veranderen van de oriëntatie van een magneet), bij kamertemperatuur 18 milli-elektronvolt aan energie verloren gaat. Dat is een miljoen keer zo weinig als de huidige computers kwijtraken per bewerking.

Sterker nog: de magneetjes verspillen het absolute minimum aan energie dat natuurwetten voorschrijven, ook wel bekend als de ‘Landauer-limiet’.

Voldoende uitdagingen

Het doel van de Berkeley-onderzoekers is om complete computers van magnetische chips te bouwen die niet meer energie verspillen dan de Landauer-limiet toelaat. Volgens computerwetenschapper Jeffrey Bokor – één van de betrokken onderzoekers – is dat in principe mogelijk. “Ook al zouden we binnen een factor tien van de limiet komen, dan zou dat al absoluut revolutionair zijn”, zegt hij in een begeleidend persbericht.

Chips die rekenen met magneetjes zijn nog ver weg, maar hun efficiëntie is veelbelovend.
Bokor lab, UC Berkeley

Een kleine kanttekening: de onderzoekers smokkelen wel een beetje met hun cijfers. Om de oriëntatie van nanomagneetjes om te flippen, is een extern magneetveld nodig dat door elektrische stroom opgewekt wordt. De energie die daarbij verloren gaat, maakt de energiewinst weer compleet ongedaan.

Dat erkennen ze zelf echter ook, want ze zoeken naar magnetische materialen die ook zonder extern magneetveld hun oriëntatie kunnen veranderen. Dus de bewerkingen zelf zijn nu zeer efficiënt, maar het hele systeem daaromheen nog niet.

Maar al mochten ze zelfs dat oplossen, dan liggen er nog voldoende andere uitdagingen op tafel. Zo zijn de magnetische chips niet bepaald klein. De gebruikte nanomagneetjes zijn nog altijd een factor tien groter dan de chiponderdelen die momenteel gemaakt worden. Verder dient de snelheid en betrouwbaarheid van de berekeningen geoptimaliseerd te worden. Kortom, in theorie kunnen we alvast dromen van magnetica, maar de praktijk is nog ver weg.

Bron:

  • Brian Lambson e.a., Exploring the Thermodynamic Limits of Computation in Integrated Systems: Magnetic Memory, Nanomagnetic Logic and the Landauer Limit, Physical Review Letters (1 juli 2011) DOI:10.1103/PhysRevLett.107.010604

Lees meer over computerchips op Kennislink:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 08 juli 2011

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.