Веллитроника ведет к обратимому компьютеру

Во многих двумерных (2D) материалах электроны не только обладают зарядом и спином, но и необычной квантовой характеристикой, известной как «долина» (valley). Проще говоря, электроны, находящиеся во многих 2D-материалах, могут жить в хорошо разделенных энергетических минимумах, а «адрес», описывающий, к каким минимумам относятся эти электроны, известен как «долина». Использование этого «адреса долины» для кодирования и обработки информации формирует ядро нового динамичного исследовательского поля, известного как веллитроника.

Несмотря на то, что долинная технология является кандидатом на технологию «после КМОП» и продолжает наследие закона Мура, ее прогресс сильно затрудняется из-за отсутствия практических проектов для обработки информации на основе долинных параметров. Одной из основных проблем в долинной системе является строительство «долинного фильтра». Долинный фильтр может производить электрический ток, состоящий преимущественно из электронов только из одной конкретной долины. Он служит фундаментальным строительным блоком в веллитронике.

Используя необычные электрические свойства 2D-материалов, таких как малослойный черный фосфор и топологические тонкие пленки Вейля-Дирака, исследователи из Сингапурского университета технологии и дизайна (SUTD) разработали универсальный полностью контролируемый фильтр долины и продемонстрировали в первый раз конкретный рабочий проект веллитронного логического затвора, способного выполнять полный набор двухвходовых булевских логик.

«Особенно примечательным является ранее не исследованный подход к достижению логически-обратимого вычисления путем хранения информации в состоянии долины электрона», - сказал первый автор доктор Еи Синь Ан (Yee Sin Ang) из SUTD.

Обычные цифровые компьютеры обрабатывают информацию логически необратимым образом. Это приводит к серьезной логической проблеме - при получении вычисленного результата конечный пользователь не может однозначно идентифицировать исходные входные данные, на основании которых получен этот результат.

Создание цифровых вычислений логически обратимым не только интересно с точки зрения фундаментальной информатики, но также имеет широкие применения в таких областях, как криптография, обработка сигналов и изображений, квантовые вычисления, и в конечном итоге требуется для повышения энергоэффективности цифровых компьютеров за пределами термодинамическим бутылочным горлышком, известным также как предел Ландауэра. Благодаря огромным потенциалам значительные исследовательские усилия были направлены на поиск практического обратимого компьютера, начиная с 1970-х годов.

Традиционный способ создания логически обратимого компьютера в значительной степени основывается на сложных схемах, которые неизбежно генерируют большое количество дополнительных бит. Эти сложные и расточительные методы не позволили обратимым вычислениям привлечь к себе широкие промышленные и коммерческие интересы.

Ключевой новинкой реверсивного логического затвора на основе веллитроники, предложенного исследователями из SUTD, является то, что устройство сохраняет дополнительные биты входной информации в состоянии долины для достижения логической обратимости. Этот веллитронный подход обходит необходимость сложных схем и значительно снижает генерацию дополнительных бит. Такая простая архитектура также более совместима с постоянно растущими промышленными и коммерческими требованиями к компактным интеллектуальным устройствам с постоянно уменьшающимися физическими размерами.

(a) Схематический чертеж веллитронного логического затвора. (b) Работа веллитронного логического затвора. (c-e) Электрические характеристики веллитронного логического затвора. (f) Традиционная обратимая логическая операция. (g) Реверсивная логическая операция на основе веллитроники

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365