Os computadores normalmente armazenam e processam dados em módulos separados. Mas agora os pesquisadores da ETH Zurich e do Paul Scherrer Institute desenvolveram um método que permite que operações lógicas sejam realizadas diretamente dentro de um elemento de memória.

Qualquer pessoa que já desligou acidentalmente o plugue de um computador desktop se lembrará do doloroso momento em que percebeu que todas as informações não salvas foram perdidas para sempre. Isso porque os computadores fazem uma distinção clara entre as tarefas de computação e armazenamento de dados. Quaisquer dados que o computador esteja usando atualmente são armazenados na memória principal, que - como a CPU do computador - depende de transistores controlados por corrente. Isso significa que a memória principal é "volátil":assim que a energia desaparecer, o mesmo acontece com os dados. Programas, imagens, vídeos e quaisquer outros dados que requerem armazenamento de longo prazo são armazenados em memória não volátil, como memória flash ou uma unidade de disco magnético, de onde eles podem ser carregados na memória principal como e quando necessário.

Sob a liderança de Pietro Gambardella e Laura Heyderman, uma equipe de cientistas da ETH Zurich e do Paul Scherrer Institute (PSI) agora espera revolucionar esse princípio de décadas. Seu objetivo é construir um rápido, sistema de memória não volátil que também pode realizar operações lógicas nos dados, como NOT, OR e AND. Recentemente, eles alcançaram um marco importante nessa jornada, que foi descrito em um artigo na revista científica Natureza .

Memória de pista rápida

Os pesquisadores têm trabalhado no desenvolvimento da memória de pista magnética por vários anos. Esse novo tipo de memória é muito mais rápido do que as unidades de disco rígido tradicionais, nas quais um cabeçote de leitura / gravação deve ser movido para uma região específica da superfície do disco por meios mecânicos. Em contraste, elementos de memória da pista de corrida funcionam usando pulsos de corrente para mover pequenas regiões magnéticas, ou domínios, nanofios para cima e para baixo com apenas algumas centenas de nanômetros de espessura. Nestes domínios, todos os momentos magnéticos - como minúsculas agulhas de bússola associadas aos átomos do material - são orientados na mesma direção e podem, portanto, ser usados ​​para representar os estados binários 0 e 1. Ao eliminar a necessidade de movimento mecânico de uma cabeça de leitura / gravação, a memória racetrack oferece tempos de acesso muito mais rápidos do que as unidades de disco rígido tradicionais. No entanto, mesmo os dados armazenados dessa maneira normalmente teriam que ser carregados na memória principal para serem processados.

"O que conseguimos fazer agora é realizar operações lógicas diretamente neste tipo de elemento de memória, "diz Zhaochu Luo, o pesquisador de pós-doutorado que impulsionou o projeto. Os computadores usam operações lógicas para processar dados. Por exemplo, o operador lógico NÃO inverte um pouco, mudando seu valor de 0 para 1 ou vice-versa. Normalmente esta operação é realizada na memória principal, com os dados sendo lidos e regravados no disco rígido magnético, mas não processados ​​diretamente nele.

Uma interação curiosa

"Nosso método funciona de forma diferente, "diz Pietro Gambardella." Usamos uma corrente elétrica para inverter a polaridade das regiões magnéticas, realizando assim uma operação NOT nos dados armazenados. Fazemos isso aproveitando uma interação de troca bastante peculiar que ocorre quando depositamos um filme de cobalto magnético em uma camada de platina. "Como resultado dessa interação, os momentos magnéticos não são paralelos nem antiparalelos entre si, como normalmente seria o caso. Em vez de, devido à presença da camada de platina, a interação faz com que os momentos magnéticos em domínios adjacentes se alinhem perpendicularmente uns aos outros. "É quase como se a agulha de uma bússola apontasse repentinamente para o leste em vez de para o norte, "diz Gambardella.

Este alinhamento perpendicular dos momentos magnéticos também leva a um sentido preferido de rotação da magnetização entre um domínio e o próximo, semelhante a como um saca-rolhas gira em uma direção específica. Então, se um pulso de corrente agora é passado através da camada de platina, os elétrons que fluem mudam gradualmente a polaridade das "agulhas da bússola" atômicas na camada magnética de cobalto. Isso move a informação codificada na magnetização e cria um domínio magnético móvel. Então, em locais predefinidos onde a interação perpendicular é forte, a direção da magnetização no domínio de viagem é invertida. Isso corresponde precisamente a uma operação NÃO lógica.

É possível combinar tais operações em diferentes elementos de memória da pista, fornecendo assim outras operações lógicas, como AND, OR e NAND. Eles podem ser montados em circuitos mais complexos, por exemplo, para somar dois números (veja a imagem). Mas, ao contrário dos circuitos convencionais baseados em semicondutores em que cada transistor requer sua própria fonte de alimentação, os novos circuitos de memória da pista só precisam ser alimentados com corrente na entrada e na saída.

Usos na Internet das Coisas

"Inicialmente, Vejo nossa tecnologia sendo usada principalmente em microprocessadores com baixo poder de computação, "explica Gambardella. Um exemplo particularmente relevante no mundo de hoje é a Internet das Coisas, em que uma variedade de dispositivos e sensores se comunicam diretamente uns com os outros. Os computadores nesses tipos de dispositivos precisam oferecer recursos "instantâneos" - o que significa operação imediata sem a demora de carregar um sistema operacional - e baixo consumo de energia. Uma tecnologia combinando memória magnética e operações lógicas seria ideal para esta aplicação.

Em princípio, diz Gambardella, não há nada que impeça a operação de computadores maiores da mesma maneira. Mas na prática, ele confessa, é improvável que isso aconteça em breve:"Otimizar os materiais e os processos de fabricação para essa finalidade é um negócio muito caro para os fabricantes de chips, portanto, é muito cedo para dizer se nossa tecnologia pode substituir a tecnologia de semicondutor convencional. "Mesmo assim, ele discute, esta nova abordagem é certamente interessante o suficiente para justificar uma investigação mais aprofundada para descobrir até onde ela pode ser levada. Os pesquisadores já solicitaram uma patente, então talvez acabaremos com um computador que nos permita desligar o plugue sem nos preocupar em perder dados.