Denník N

Výskum Slováka si všimla BBC, s kolegami zostrojil prepisovateľnú atomárnu pamäť s kapacitou 1kB

Foto – Technická univerzita v Delfte
Foto – Technická univerzita v Delfte

Tím vedcov predstavil atomárnu pamäť s hustotou zápisu, ktorá prevyšuje súčasné HDD technológie takmer 500-násobne.

Jedným z dnes už klasických odvetví nanotechnológie je snaha o miniaturizáciu jednotlivých častí počítača.

Kolektív vedcov z Technickej univerzity v holandskom Delfte okolo profesora Sandera Otteho urobil krok veľmi zaujímavým smerom k fyzickému zostrojeniu 1 kB pamäte, v ktorej je informácia uložená na atomárnej škále.

Výskum uverejnili v pondelok v prestížnom časopise Nature Nanotechnology. Na výskume pracoval aj Slovák Ján Girovský, pôsobí ako postdoc v Otteho laboratóriu na univerzite v Delfte.

O výskume informovala aj BBC, všimli si ho aj v časopise Science.

Od pevného disku k atómovej pamäti

Pamäte, ktoré bežne používame dnes, sú buď pevné disky (HDD), alebo SSD disky. Tie prvé ukladajú informáciu v podobe smeru magnetizácie malého kúska materiálu, druhé menované sú založené na polovodičoch, podobne ako procesory.

Dnešné SSD disky sú v podstate lepšie vo všetkých relevantných ukazovateľoch než ich HDD predchodcovia, v dohľadnom čase sa im zrejme aj cenovo vyrovnajú.

Zapísať čo najviac informácií na čo najmenší kus materiálu nie je vôbec jednoduché. Ak pracujeme s objektmi na atomárnej škále, vstupuje do hry kvantová mechanika a teplota.

S trochou zjednodušenia sa dá povedať, že s využitím dostatočne silnej chemickej väzby atómov prvku X na povrchu kovu Y by sme vedeli tieto komplikácie prekonať.

Vedci zostrojili prepisovateľnú atomárnu pamäť s kapacitou 1 kB, v ktorej informácie uložené v pozíciách atómov chlóru usporiadaných do štvorcovej mriežky na povrchu medi.

Zistili, že ak v mriežke chýba atóm chlóru, susedné atómy sa dajú presunúť na miesto chýbajúceho atómu, podobne ako v prípade posúvacej skladačky. Poloha takto vzniknutých „dier“ (vakancií) sa dá následne využiť na uchovanie jednotiek informácie (bitov).

O prepisovateľnej atomárnej pamäti. Zdroj – Youtube

Tunelový mikroskop

Na manipuláciu takéhoto systému sa používa skenovací tunelový mikroskop (STM). Predstaviť si ho môžeme ako miniatúrny hrot, ktorým vieme skúmať povrch našej vzorky.

Pomocou STM vieme nielen zistiť, kde sa nachádza atóm chlóru a kde naopak chýba, ale aj kontrolovane posúvať jednotlivé vakancie v rámci vzorky.

Keďže pomocou STM sa vykonáva čítanie a zápis do pamäte, tak očakávame, že práve operačné časy STM budú limitovať rýchlosť pamäte.

Informácia v kvantovej pamäti

Autori definujú jeden bit informácie nasledovne. Predstavme si dve štvorcové políčka pod sebou. Ak je na hornom políčku vakancia a na dolnom atóm chlóru, toto rozmiestnenie reprezentuje bit 0, opačná konfigurácia chlór-vakancia zase bit 1.

Aby nám susedné vakancie nepokazili čítanie-zápis jednotlivých bitov, je každý bit oddelený od ostatných, extra riadkom a stĺpcom chlórov. To nám dáva dohromady 6 atómov na jeden bit, dva spotrebujeme na bit samotný a zvyšné 4 na jeho oddelenie od iných bitov.

Ujasníme si to na nasledovnom obrázku:

V prvom stĺpci zľava máme zhora vakanciu-chlór, teda bit 0. Stĺpec uzatvára jeden „oddeľovací“ chlór a nasleduje rovnako oddeľovací stĺpec chlórov. Potom nasleduje v treťom stĺpci druhý bit a tak ďalej.

Keďže potrebujeme jednu vakanciu na šesť atómov, optimálna koncentrácia vakancií je 1/6.

b

Výhody a limity atómovej pamäte

Autorom sa použitím daného princípu podarilo zostrojiť 1016-bajtovú pamäť a zapísať do nej úsek z článku známeho fyzika Richarda Feynmana.

V súčasnej podobe má pamäť výrazné obmedzenia. Prvým z nich je rýchlosť zápisu a čítania, ktorá je limitovaná elektronikou na rádovo 1 Mb za sekundu. V porovnaní hoci len s rýchlosťou optického pripojenia to nie je oslnivé, ak sa však pozrieme, ako ďaleko sa dostali dnešné pamäte oproti svojej počiatočnej rýchlosti, je to viac než výborný štart s ohľadom na to, že ide o prvý prototyp.

Druhým limitujúcim faktorom je teplota. Pamäť funguje vďaka kovalentnej väzbe chlór-meď, čo znamená, že ak sa teplota priblíži k tejto hodnote, máme problém.

Autori ukázali stabilitu danej pamäte pri teplote 77 Kelvinov počas 44 hodín. Spomenutá veta z Feynmanovho článku zostala perfektne zapísaná. To nie je obzvlášť oslnivé v porovnaní s dnes používanými pamäťami. Na druhú stranu, autori ponúkajú jasnú cestu na zlepšenie, stačilo by použiť iný pár atómov než meď-chlór s čo najsilnejšou väzbou.

Najväčšou výhodou takejto pamäte je hustota zápisu. Pre porovnanie, dnešná HDD technológia poskytuje 1.34Tb/in2 (terabit na štvorcový palec), zatiaľ čo zostrojená atómová pamäť má hustotu zápisu 502Tb/in2. Táto hustota zápisu sa dá v istom zmysle chápať ako takmer hraničná pre klasickú informáciu.

A takto vyzerá „Denník N“ zapísaný v atomárnej pamäti:

Denník N v atomárnej pamäti. Foto - Ottelab / TU Delft
Denník N v atomárnej pamäti. Foto  – Ottelab/TU Delft

Dostupné z doi: 10.1038/nnano.2016.131.

🗳️ Ak chcete podporiť našu prácu pred druhým kolom volieb aj nad rámec predplatného, môžete to urobiť aj darom.🗳️

Máte pripomienku alebo ste našli chybu? Prosíme, napíšte na [email protected].

Príroda

Veda

Teraz najčítanejšie