Разработка российских ученых повысит производительность современных процессоров

Повысить производительность современных процессоров позволит модель энергонезависимой ячейки памяти с тремя логическими состояниями на основе гибридной углеродной наноструктуры. Разработку представил коллектив исследователей подведомственного Минобрнауки России Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н. Г. Чернышевского (СГУ).

Почти все данные, хранящиеся на устройствах, и даже искусственный интеллект, представлены в виде двоичных единиц — битов, которые могут принимать значение «0» или «1». Если же добавить третье значение, например «2», система станет троичной, а биты превратятся в триты. Преимущество тритов перед битами в том, что они позволяют более эффективно использовать пространство памяти. Системы, основанные на трехзначной логике, позволят повысить производительность современных процессоров, а также уменьшить количество активных блоков памяти в устройстве. Троичные компьютеры будут экономить энергию, смогут хранить больше данных и быстрее их обрабатывать.

Долгое время ученые всего мира искали структуру, которая могла бы обеспечить три устойчивых состояния. Ученые Саратовского университета в качестве такой структуры предложили Т-образную углеродную нанотрубку. Внутри нее находится свободный фуллерен C60 — молекула из 60 атомов углерода, расположенных в форме футбольного мяча. Эта молекула обладает уникальными свойствами: высокой плотностью, жесткостью и устойчивостью к воздействию химических и физических факторов.

Описать процесс записи и считывания информации с помощью такой гибридной структуры можно, проведя параллель между углеродной нанотрубкой и обычной трубой в виде буквы Т, внутри которой находится мячик. Он способен перемещаться внутри трубы и занимать три положения, которые соответствуют логическим состояниям системы. Кроме того, можно понять, возле какого края находится мячик в тот или иной момент.

«Чтобы фуллерен не мог покинуть полость трубки, к ее краям химически присоединена цепочка из других фуллеренов. Таким образом, свободный фуллерен может занимать три положения — возле каждого из краев нанотрубки — что соответствует трем логическим состояниям. Нами были найдены параметры внешнего электрического поля, задавая которые фуллерен можно перемещать в любую из ям. Этот процесс соответствует операции «записи» в ячейку памяти», — объяснила заведующая кафедрой радиотехники и электродинамики Института физики СГУ имени Н. Г. Чернышевского, профессор Ольга Евгеньевна Глухова.

Осуществить считывание записанной информации можно, определив, в каком из трех состояний находится фуллерен. Для этого к двум из трех краев трубки ученые добавили кислород разной концентрации. Попадая в ту или иную яму нанотрубки, фуллерен обменивается с ней своим зарядом. В зависимости от заряда на трубке можно судить и о положении фуллерена в трубке в тот или иной период времени, а значит и о текущем логическом состоянии ячейки памяти.

Попытки создания ячеек памяти на основе углеродных нанотрубок, в том числе и с фуллеренами, предпринимались и ранее, однако они отображали только два логических состояния. Таким образом, разработка саратовских ученых — первая в своем роде ячейка памяти с троичной логикой на основе углеродных наноструктур.

В работе ученые прибегали к современным методам компьютерного моделирования низкоразмерных структур. Кроме того, физики использовали метод молекулярной динамики в оригинальном программном пакете KVAZAR, разработанном под руководством Ольги Глуховой.

Современные способы синтеза позволяют как получить Т-образные углеродные нанотрубки, так и инкапсулировать в них фуллерены. С учетом того, что индустрия нанотехнологий развивается сверхбыстрыми темпами, перспективы внедрения разработанной ячейки памяти в устройство видятся вполне осязаемыми.

Ученые планируют продолжать совершенствовать разработанную модель и повышать ее эффективность в качестве ячейки памяти. Саратовские физики открыты к научному сотрудничеству, так как уверены, что реализация устройства на троичной логике возможна только в тесном контакте с технологами.

Получено решение о выдаче патента на изобретение. Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России.