Dieses Wärmeproblem ist in Computern und Rechenzentren zentral: Je schneller ein Prozessor rechnet, desto mehr heizt er sich auf, was den Einbau teurer und energieintensiver Kühlsysteme erzwingt. Dieses neue Element verarbeitet ein Informationsbit in nur 40 Pikosekunden (40 Millionstel einer Millionstel Sekunde), verglichen mit etwa einer Nanosekunde (einem Milliardstel einer Sekunde) für einen herkömmlichen Chip. Ein Unterschied, der jedoch nicht mit einer zusätzlichen Wärmeerzeugung einhergeht.
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Wie ist das möglich? Die Komponente besteht aus dünnen Schichten von Tantal (Ta) und einem Material namens Mn3Sn, die auf einer Siliciumdioxidbasis abgeschieden werden. Mn3Sn ist antiferromagnetisch, was bedeutet, dass es stabile magnetische Eigenschaften besitzt, die resistent gegen Störungen sind. Die Forscher verwendeten einen ultraschnellen Impulsgenerator, um Lichtblitze von nur 60 Pikosekunden Dauer durch einen Hochgeschwindigkeits-Photodetektor zu senden. Jeder Impuls verändert die Ausrichtung der Elektronenspins im Material und erzeugt eine winzige magnetische Kraft, die die Information speichert.
Dieser Mechanismus bietet einen großen Vorteil: Sobald die Information geschrieben ist, wird sie ohne jeglichen elektrischen Strom gespeichert. Das Gerät führte über eine Milliarde Schaltvorgänge ohne Schwäche aus und demonstrierte eine außergewöhnliche Zuverlässigkeit. Vor allem die abgegebene Wärme ist im Vergleich zu der eines herkömmlichen Prozessors vernachlässigbar. Das könnte ein großes Hindernis für die Steigerung der Rechenleistung von Rechenzentren beseitigen, deren Energieverbrauch mit der künstlichen Intelligenz explodiert.
Aber es bleiben noch Hürden zu überwinden. Tantal ist ein seltenes Metall, das bereits stark nachgefragt wird, was zu Versorgungsproblemen führen könnte. Zudem muss das Gerät unter realen Bedingungen außerhalb des Labors getestet werden, wo Umgebungsfaktoren seinen Betrieb stören könnten. Die Wissenschaftler schätzen, dass ein Prototyp-Chip bis 2030 Realität werden könnte.
Die Forscher glauben auch, dass durch eine weitere Verringerung der Dicke der Mn3Sn-Schicht der Energieverbrauch weiter sinken wird. Der nächste Schritt wird die Entwicklung eines industriellen Fertigungsverfahrens sein, das diese Komponenten in großem Maßstab herstellen kann, damit sie eines Tages unsere Computer und Server bestücken können.
Wie funktioniert das Schalten mittels Lichtimpulsen?
Der Schlüssel des Geräts ist die Verwendung von Licht zur Steuerung des Zustandswechsels. Die Forscher verwenden einen ultraschnellen Impulsgenerator, der Lichtblitze mit einer Dauer von 60 Pikosekunden erzeugt. Diese Impulse werden in eine gewöhnliche Glasfaser gesendet und dann von einer speziellen Komponente – einer Fotodiode mit Einzelträger (UTC-PD) – in einen sehr kurzen elektrischen Strom umgewandelt.
Dieser Strom wirkt auf die Mn3Sn-Schicht, deren Elektronenspins umkippen. Dieses Umkippen repräsentiert ein Informationsbit: eine Richtung für die 0, die andere für die 1. Der Vorgang ist extrem schnell (40 Pikosekunden), da die Spins ihre Ausrichtung nahezu augenblicklich ändern können.
Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass es keinen Dauerstrom benötigt, um den Zustand zu halten, im Gegensatz zu herkömmlichen Transistoren. Energie wird nur beim Schalten verbraucht, daher ist die Wärmeerzeugung sehr gering. Dies ist ein Bruch mit der konventionellen Elektronik, bei der der Strom ständig fließen muss, was unweigerlich Wärme erzeugt.