Fononiniai kompiuteriai informaciją apdorotų šiluma

B. Li ir Lei Vangas (Lei Wang) iš to paties Nacionalinio Singapūro universiteto paskutiniajame „Physical Review Letters“ numeryje išspausdintame straipsnyje parodė, kaip galima sukurti šiluminius loginius vartus, tinkamus ateities fononiniams kompiuteriams.

Loginiai vartai yra vienas svarbiausių kompiuterio elementų, kuris skirtas operacijoms su vienu ar keliais loginiais įvesties duomenimis atlikti. Elektroniniuose loginiuose vartuose įvesties ir išvesties duomenis atitinka skirtingos įtampų vertės. Šiluminiuose loginiuose vartuose – skirtingos temperatūros.

Pagrindinis loginių vartų elementas yra šiluminis tranzistorius (juos pernai išrado B. Li vadovaujama mokslininkų grupė), kurio veikimas panašus į elektros srovės valdymą lauko tranzistoriuje. Šiluminį tranzistorių sudaro valdymo bei du silpnai sujungti išvadai.

„Kaip ir visuose kituose teoriniuose modeliuose šilumai gauti panaudojome sistemą, kurios pagrindas yra atsitiktiniai atominiai arba molekuliniai judėjimai, – pasakoja B. Li. – Norint stebėti šiluminį laidumą visai nereikia daug išorinės energijos. Bet koks temperatūros skirtumas sukels tokį laidumą“.

Tyrėjų pasiūlytame modelyje šiluma yra perduodama gardelės virpesiais. Kai abiejų išvadų virpėjimo spektrai yra sujungiami, jų persiklojimas lemia šiluminę srovę. Pavyzdžiui, kai persikloja du spektrai, šiluma gali lengvai judėti tarp išvadų – tai atitinka „įjungtą“ būseną. Kai virpėjimo spektrai nepersikloja, praeiti sugeba vos maža šilumos dalis (arba išvis nepraeina) – tai atitinka „išjungtą“ būseną. Neigiama diferencialinė šiluminė varža (NDTR), susidaranti dėl išvadų paviršiaus dalelių virpėjimų spektrų atitikimo arba neatitikimo, lemia „įjungtos“ ir „išjungtos“ būsenos stabilumą. Visa tai galiausiai leidžia atlikti šilumines logines operacijas.

„Kaip paaiškinome „Physical Review Letters“ straipsnyje, visos šios loginių vartų funkcijos gali būti atliekamos tik tada, kai sistema pasižymi vadinamuoju neigiamu arba superatsaku. Turime galvoje, kad didelis temperatūros skirtumas (pokytis) sužadins silpną šiluminę srovę, – aiškina mokslininkas. – Tai vadinamoji neigiama diferencialinė šiluminė varža“. NDTR reiškinį 2006 m. atrado ta pati B. Li vadovaujama mokslininkų grupė.

Tyrėjai pademonstravo, kaip sujungiant šiluminius tranzistorius galima sukonstruoti visai kitokius šiluminius loginius vartus, pavyzdžiui, signalo kartotuvus. Jie šiluminius įvesties duomenis suskaitmenina tam, kad temperatūrai esant aukščiau arba žemiau tam tikros kritinės vertės, išvesties duomenys atitiktų „įjungtą“ arba „išjungtą“ būseną, tačiau ne tarpinę jų vertę. Nuosekliai sujungę kelis šiluminius tranzistorius tyrėjai sukonstravo beveik idealų kartotuvą. Be signalo kartotuvų taip pat pavyko sukurti IR, ARBA bei NE loginius vartus.

Mokslininkų sukurtas modelis įrodo, jog šiluminius loginius vartus įmanoma sėkmingai įgyvendinti. Tačiau L. Vangas ir B. Li žvelgia dar toliau – tyrėjai tikisi, kad jau visai greitai tokius prietaisus pavyks pagaminti nanosistemoms. Verta atkreipti dėmesį į tai, jog kietakūnis šiluminės srovės lygintuvas buvo sukurtas 2006 m., prabėgus vos keleriems metams po teorinio jo modelio pristatymo.

„Vienas iš fononinio kompiuterio privalumų galėtų būti mažas elektros energijos poreikis, – priduria B. Li. – Galime naudingai panaudoti tiek pačios gamtos, tiek elektroninių įrenginių išskiriamą perteklinę šilumą. Ateis diena, kai žmonija šilumą sugebės valdyti ir panaudoti išmintingai – taip, kad būtų sutaupyta daugybė šiais laikais trūkstamos energijos“.

Plačiau: MokslasPlius