Processadores magnéticos atingirão limite físico da eficiência

Robert Sanders - 04/07/2011

Computadores nanomagnéticos usarão minúsculos ímãs em barra para armazenar e processar informações. As interações entre os campos magnéticos norte-sul polarizados de ímãs muito próximos permitem operações lógicas como as feitas por transistores convencionais.
[Imagem: Jeffrey Bokor Lab]

Processadores magnéticos poderão usar milhões de vezes menos energia do que os chips de silício de hoje.

Em teoria, os microprocessadores magnéticos poderão consumir a menor quantidade de energia permitida pelas leis da física.

É o que garantem pesquisadores da Universidade da Califórnia, em Berkeley, nos Estados Unidos.

Processadores magnéticos

Os microprocessadores de hoje, baseados em silício, usam correntes elétricas, ou elétrons em movimento, que liberam uma grande quantidade de calor, ou energia desperdiçada.

Mas microprocessadores que empreguem barras magnéticas de tamanho nanométrico para a memória, a lógica e as operações de chaveamento, teoricamente não necessitariam de elétrons em movimento.

Esses chips dissipariam apenas 18 milielétron-volts de energia por operação a temperatura ambiente, o mínimo permitido pela chamada Segunda Lei da Termodinâmica.

Esse mínimo também é chamado de limite de Landauer e representa 1 milhão de vezes menos energia por operação do que o consumido pelos computadores de hoje.

Computação com ímãs

"Hoje, os computadores consomem eletricidade. Movendo elétrons ao redor de um circuito, você pode processar informação," começa Brian Lambson, um dos autores do novo estudo.

"Um computador magnético, por outro lado, não envolve nenhum elétron em movimento. Você armazena e processa informações utilizando ímãs, e se você construir estes ímãs suficientemente pequenos, você pode basicamente colocá-los tão próximos entre si que eles interagirão uns com os outros. É assim que se poderá fazer cálculos, ter memória e realizar todas as funções de um computador," prossegue ele.

Lambson está trabalhando para desenvolver esses computadores magnéticos com Jeffrey Bokor e David Carlton.

"Em princípio, pode-se, penso eu, construir circuitos reais que funcionem exatamente no limite de Landauer," afirma Bokor. "Mesmo se pudéssemos começar dentro de uma ordem de grandeza, um fator de 10, do limite de Landauer, isso representaria uma enorme redução no consumo de energia para a eletrônica. Seria absolutamente revolucionário."

Termodinâmica da computação

Cinquenta anos atrás, Rolf Landauer utilizou a nascente teoria da informação para calcular a energia mínima dissipada por uma operação lógica - como uma operação AND ou OR - dada a limitação imposta pela Segunda Lei da Termodinâmica.

Em uma porta lógica padrão, com duas entradas e uma saída, uma operação AND produz uma saída quando há duas entradas positivas, enquanto uma operação OR produz uma saída quando uma ou ambas as entradas são positivas.

A lei da termodinâmica estabelece que um processo irreversível - uma operação lógica ou o apagamento de um bit de informação - dissipa uma energia que não pode ser recuperada.

Em outras palavras, a entropia de qualquer sistema fechado não pode diminuir.

Uma das resultantes dos cálculos de Landauer estabelece que uma operação de deletar dados pode resfriar os computadores.

Na imagem de contraste magnético, os pontos brilhantes são nanomagnetos com seus pólos norte apontando para baixo (representados pela barra vermelha abaixo) e as manchas escuras são nanomagnetos com o norte apontando para cima (azul). Os seis nanomagnetos formam uma porta lógica.
[Imagem: Jeffrey Bokor Lab]

Lógica e memória magnéticas

Nos transistores e microprocessadores de hoje, esse limite está muito abaixo de outras perdas de energia que geram calor, principalmente através da resistência elétrica dos elétrons em movimento.

No entanto, os pesquisadores estão tentando desenvolver computadores que não dependam da movimentação dos elétrons e, portanto, poderiam se aproximar do limite de Landauer.

Lambson decidiu testar teórica e experimentalmente a eficiência energética limitante de um circuito simples de lógica magnética e memória magnética.

Os nanomagnetos que a equipe usou para construir a memória magnética e os dispositivos de lógica têm cerca de 100 nanômetros de largura e cerca de 200 nanômetros de comprimento.

Como eles têm a mesma polaridade norte-sul que uma barra de ímã, a orientação para cima ou para baixo dos pólos magnéticos pode ser usada para representar o 0 e 1 binários da memória de um computador.

Além disso, quando múltiplos nanomagnetos são reunidos, os seus pólos norte e sul interagem pela ação de forças dipolo-dipolo para apresentar o comportamento de um transístor a, permitindo a execução de operações lógicas simples.

"Os próprios ímãs fazem o papel de memória," diz Lambson. "O verdadeiro desafio é conseguir fazer os fios e transistores funcionarem."

Limite de Landauer

Lambson demonstrou através de cálculos e simulações de computador que uma única operação de memória - apagar um bit magnético, uma operação chamada de "retornar para um" - pode ser realizada com uma dissipação de energia muito próxima, se não idêntica, ao limite de Landauer.

A seguir, ele analisou uma operação lógica magnética simples.

A primeira demonstração bem-sucedida de uma operação lógica utilizando nanopartículas magnéticas foi obtida por pesquisadores da Universidade de Notre Dame, em 2006.

Naquela ocasião, eles construíram uma porta lógica de três entradas usando 16 nanomagnetos acoplados. Lambson calculou que esse circuito também dissipa energia no limite de Landauer.

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Como o limite de Landauer é proporcional à temperatura, circuitos refrigerados a baixas temperaturas seriam ainda mais eficientes.

Desafios para a computação magnética

Até o momento, são usadas correntes elétricas para gerar um campo magnético para apagar ou inverter a polaridade dos nanomagnetos, o que dissipa muita energia.

Idealmente, novos materiais tornarão as correntes elétricas desnecessárias, exceto, talvez, para transferir a informação de um chip para outro.

"Então você poderá começar a pensar sobre o funcionamento desses circuitos nos limites superiores de eficiência," disse Lambson.

"Nós estamos trabalhando agora com colaboradores para descobrir uma maneira de injetar essa energia sem a utilização de um campo magnético, que é muito difícil de fazer de forma eficiente," conta Bokor. "Um material multiferroico, por exemplo, pode ser capaz de controlar o magnetismo diretamente com uma tensão, em vez de usar um campo magnético externo."

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Ainda restam outros obstáculos. Por exemplo, conforme os pesquisadores empurram para baixo o consumo de energia, os dispositivos se tornam mais suscetíveis a flutuações aleatórias induzidas por efeitos térmicos, campos eletromagnéticos aleatórios e outros tipos de ruído.

"A tecnologia magnética na qual estamos trabalhando parece muito interessante para usos com potência ultra baixa," diz Bokor. "Estamos tentando descobrir como torná-la mais competitiva em desempenho, velocidade e confiabilidade. Precisamos garantir que ela obtenha a resposta certa a cada momento com um grau muito, muito, muito elevado de confiabilidade."

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