Память на вихре: почти предел, далеко от розетки

Физики Еврейского университета в Иерусалиме оценили, сколько энергии требуется для работы бита памяти на одном сверхпроводящем вихре. По их расчётам, при определённых условиях потери составляют примерно пятикратную величину предела Ландауэра — теоретического минимума энергии, необходимого для стирания одного бита. Но эксперимент проводили при температуре жидкого гелия, а затраты на охлаждение в заявленную оценку не включены. Поэтому близость к фундаментальному пределу ещё не означает экономии электричества в реальном устройстве.

Предел Ландауэра сформулировал физик IBM Рольф Ландауэр в 1961 году. При стирании одного бита система должна рассеять как минимум энергию kT ln 2: величина зависит от температуры и при комнатной температуре составляет около 2,9 зептоджоуля. Зептоджоуль — одна секстиллионная джоуля. Современные чипы работают заметно выше этого теоретического минимума, поэтому физики исследуют способы сократить энергопотребление вычислений.

В работе, опубликованной в журнале Nature Communications 24 сентября и представленной университетом 11 октября, использовали сверхпроводящий вихрь. В тонкой сверхпроводящей плёнке магнитное поле может проходить через материал в виде крошечных трубок потока. Вокруг каждой циркулирует электрический ток; вихрь несёт один квант магнитного потока и может задерживаться на дефектах материала.

Группа под руководством Йонатана Анагори изготовила полоску из ниобиевой плёнки толщиной 55 нанометров и шириной 10 микрометров. При температуре 4,2 кельвина — примерно −269 °C — постоянный ток перемещал отдельные вихри к двум соседним устойчивым положениям, разделённым несколькими нанометрами. Эти две позиции соответствовали нулю и единице, то есть могли служить состояниями бита.

Затем исследователи подавали переменный ток, заставляя вихрь колебаться между позициями. Его движение отслеживали с помощью микроскопа SQUID-on-tip — магнитного датчика на заострённом стеклянном зонде. По запаздыванию движения относительно приложенного воздействия оценивали рассеянную энергию.

Авторы сообщили, что для бита, работающего на частоте 150 килогерц, оценка потерь примерно в пять раз выше предела Ландауэра. Это соответствует одной операции примерно за 6,7 микросекунды. Однако в эксперименте вихрь непрерывно раскачивали, а не стирали бит в строгом смысле — переводили неизвестное состояние в заранее заданное. В аннотации статьи прямо говорится, что применённый метод требует непрерывного синусоидального воздействия и несовместим с протоколом стирания Ландауэра. Поэтому значение, близкое к пределу, получено численным моделированием на основе измерений, а не прямым наблюдением стирания. Кроме того, университетская оценка не учитывает энергию холодильной установки.

Вокруг интерпретации результатов возник спор при рецензировании, материалы которого журнал опубликовал вместе со статьёй. Рецензент № 2 отверг первоначальный вариант, потребовал дополнительных экспериментов для следующего и не поддержал финальный текст. Он возразил, что работа, сила и перемещение были оценены или выведены косвенно, а не измерены напрямую. В частности, рецензент предложил показать, как вихрь загоняют в одну потенциальную «яму» и удерживают там, а также проверить, меняется ли частота самопроизвольных переходов вихря при изменении температуры — как предсказывает тепловая активация.

Авторы эти проверки не провели. Они объяснили, что дрейф сканирующего микроскопа ограничивает точность статического изображения примерно 20 нанометрами, а изменение температуры одновременно меняет и ландшафт потенциальных ям. Рецензент № 3 назвал работу оригинальной и надёжной и предупредил, что дополнительные эксперименты могут затянуть публикацию на неопределённый срок. Рецензент № 1 счёл метод неподходящим для стирания на практически полезных скоростях и посоветовал сделать заголовок статьи скромнее.

Есть и более общий компромисс между энергией и скоростью. Предел Ландауэра достижим лишь при достаточно медленной операции; исследования Прозманса, Эриха и Беххёфера показывают, что цена стирания растёт с увеличением скорости. Частота 150 килогерц в оценке команды выглядит скромно на фоне сверхпроводящих логических чипов: более десяти лет назад такие чипы работали на частоте 6 гигагерц.

Но и замедление не решает проблему хранения. По данным о шуме, вихрь самопроизвольно перескакивает между двумя ключевыми для результата состояниями примерно 3–7 тысяч раз в секунду при 4,2 кельвина. Авторы считают это приемлемым, если операции выполняются намного быстрее случайных перескоков. Однако информация в таких состояниях сохраняется менее миллисекунды. В статье не показано состояние, которое одновременно обеспечивало бы потери около предела Ландауэра и длительное хранение данных.

Таким образом, исследование предлагает осторожную и оспариваемую оценку того, насколько экономно можно перемещать один сверхпроводящий вихрь между двумя позициями. Сам принцип вихревой памяти не нов; вклад команды — прежде всего в оценку энергозатрат для отдельного вихря. Результат демонстрирует разницу между близостью к физическому минимуму и эффективностью устройства у розетки: для практической памяти важны также скорость, охлаждение и сохранность данных.