Las computadoras normalmente almacenan y procesan datos en módulos separados. Pero ahora los investigadores de ETH Zurich y el Instituto Paul Scherrer han desarrollado un método que permite realizar operaciones lógicas directamente dentro de un elemento de memoria.

Cualquiera que haya desconectado accidentalmente una computadora de escritorio recordará el doloroso momento en el que se dio cuenta de que la información no guardada se había perdido para siempre. Eso es porque las computadoras hacen una clara distinción entre las tareas de computación y almacenamiento de datos. Cualquier dato que la computadora esté usando actualmente se almacena en la memoria principal, que, como la CPU de la computadora, se basa en transistores controlados por corriente. Esto significa que la memoria principal es "volátil":tan pronto como la energía desaparece, también lo hacen los datos. Software, imagenes Los videos y cualquier otro dato que requiera almacenamiento a largo plazo se almacenan en una memoria no volátil, como una memoria flash o una unidad de disco magnético, desde donde se pueden cargar en la memoria principal cuando sea necesario.

Bajo el liderazgo de Pietro Gambardella y Laura Heyderman, un equipo de científicos de ETH Zurich y el Paul Scherrer Institute (PSI) espera ahora revolucionar este principio de décadas. Su objetivo es construir un sistema de memoria no volátil que también puede realizar operaciones lógicas en los datos como NO, O y Y. Recientemente alcanzaron un hito importante en ese viaje, que fue descrito en un artículo en la revista científica Naturaleza .

Memoria de pista de carreras rápida

Los investigadores han estado trabajando en el desarrollo de la memoria magnética para pistas de carreras durante varios años. Este nuevo tipo de memoria es mucho más rápido que las unidades de disco duro tradicionales en las que un cabezal de lectura / escritura debe moverse a una región específica de la superficie del disco por medios mecánicos. A diferencia de, Los elementos de memoria de la pista funcionan utilizando pulsos de corriente para mover pequeñas regiones magnéticas, o dominios, nanocables hacia arriba y hacia abajo que tienen solo unos pocos cientos de nanómetros de espesor. En estos dominios, todos los momentos magnéticos, como pequeñas agujas de brújula asociadas con los átomos del material, están orientados en la misma dirección y, por lo tanto, pueden usarse para representar los estados binarios 0 y 1. Al eliminar la necesidad del movimiento mecánico de un cabezal de lectura / escritura, La memoria de circuito ofrece tiempos de acceso mucho más rápidos que los discos duros tradicionales. Sin embargo, incluso los datos almacenados de esta manera normalmente tendrían que cargarse en la memoria principal para ser procesados.

"Lo que hemos logrado hacer ahora es realizar operaciones lógicas directamente dentro de este tipo de elemento de memoria, "dice Zhaochu Luo, el investigador postdoctoral que impulsó el proyecto. Las computadoras usan operaciones lógicas para procesar datos. Por ejemplo, el operador lógico NO invierte un poco, cambiando su valor de 0 a 1 o viceversa. Normalmente esta operación se realiza en la memoria principal, con los datos que se leen y se reescriben en el disco duro magnético, pero no se procesan directamente allí.

Una interacción curiosa

"Nuestro método funciona de manera diferente, ", dice Pietro Gambardella." Usamos una corriente eléctrica para invertir la polaridad de las regiones magnéticas, realizando así una operación NOT sobre los datos almacenados. Hacemos esto aprovechando una interacción de intercambio bastante peculiar que ocurre cuando depositamos una película de cobalto magnético sobre una capa de platino ". Como resultado de esta interacción, los momentos magnéticos no son ni paralelos ni antiparalelos entre sí, como sería normalmente el caso. En lugar de, debido a la presencia de la capa de platino, la interacción hace que los momentos magnéticos en dominios adyacentes se alineen perpendicularmente entre sí. "Es casi como si la aguja de una brújula apuntara repentinamente hacia el este en lugar de hacia el norte, "dice Gambardella.

Esta alineación perpendicular de los momentos magnéticos también conduce a un sentido preferido de rotación de la magnetización entre un dominio y el siguiente, similar a cómo un sacacorchos gira en una dirección específica. Entonces, si un pulso de corriente pasa ahora a través de la capa de platino, los electrones que fluyen cambian gradualmente la polaridad de las "agujas de la brújula" atómicas en la capa de cobalto magnético. Esto mueve la información codificada en la magnetización y crea un dominio magnético viajero. Luego, en ubicaciones predefinidas donde la interacción perpendicular es fuerte, la dirección de la magnetización en el dominio de desplazamiento está invertida. Esto corresponde precisamente a una operación lógica NOT.

Es posible combinar tales operaciones en diferentes elementos de memoria de pista, proporcionando así otras operaciones lógicas como AND, OR y NAND. Estos se pueden ensamblar en circuitos más complejos, por ejemplo, para sumar dos números (ver imagen). Pero, a diferencia de los circuitos convencionales basados ​​en semiconductores en los que cada transistor requiere su propia fuente de alimentación, los nuevos circuitos de memoria de pista solo necesitan ser alimentados con corriente en la entrada y salida.

Usos en Internet de las cosas

"Inicialmente, Veo que nuestra tecnología se utiliza principalmente en microprocesadores con baja potencia informática, "explica Gambardella. Un ejemplo que es particularmente relevante en el mundo actual es Internet de las cosas, en el que una variedad de dispositivos y sensores se comunican entre sí directamente. Las computadoras en este tipo de dispositivos deben ofrecer capacidades de "encendido instantáneo", es decir, operación inmediata sin la demora de cargar un sistema operativo, y bajo consumo de energía. Una tecnología que combine memoria magnética y operaciones lógicas sería ideal para esta aplicación.

En principio, dice Gambardella, no hay nada que se interponga en el funcionamiento de ordenadores más grandes de la misma forma. Pero en la práctica él confiesa, Es poco probable que esto suceda pronto:"Optimizar los materiales y los procesos de fabricación para este propósito es un negocio muy costoso para los fabricantes de chips, por lo que es demasiado pronto para decir si nuestra tecnología puede reemplazar la tecnología de semiconductores convencional ". Aun así, el argumenta, Este nuevo enfoque es ciertamente lo suficientemente interesante como para justificar una mayor investigación para descubrir hasta dónde se puede llevar. Los investigadores ya han solicitado una patente, por lo que quizás terminemos con una computadora que nos permita desconectarnos sin preocuparnos por perder datos.