I computer normalmente memorizzano ed elaborano i dati in moduli separati. Ma ora i ricercatori dell'ETH di Zurigo e del Paul Scherrer Institute hanno sviluppato un metodo che consente di eseguire operazioni logiche direttamente all'interno di un elemento di memoria.

Chiunque abbia accidentalmente staccato la spina di un computer desktop ricorderà il momento doloroso in cui si è reso conto che tutte le informazioni non salvate erano andate perse per sempre. Questo perché i computer fanno una chiara distinzione tra le attività di calcolo e l'archiviazione dei dati. Tutti i dati che il computer sta attualmente utilizzando sono archiviati nella memoria principale, che, come la CPU del computer, si basa su transistor controllati in corrente. Ciò significa che la memoria principale è "volatile":non appena l'alimentazione scompare, così i dati. Software, immagini, i video e tutti gli altri dati che richiedono l'archiviazione a lungo termine sono archiviati in una memoria non volatile come una memoria flash o un'unità disco magnetico, da dove possono essere caricati nella memoria principale come e quando necessario.

Sotto la guida di Pietro Gambardella e Laura Heyderman, un team di scienziati dell'ETH di Zurigo e del Paul Scherrer Institute (PSI) spera ora di rivoluzionare questo principio vecchio di decenni. Il loro obiettivo è quello di costruire un veloce, sistema di memoria non volatile in grado di eseguire anche operazioni logiche sui dati quali NOT, OR e AND. Di recente hanno raggiunto un traguardo importante in quel viaggio, che è stato descritto in un articolo sulla rivista scientifica Natura .

Memoria veloce in pista

I ricercatori hanno lavorato allo sviluppo della memoria magnetica per i circuiti da diversi anni. Questo nuovo tipo di memoria è molto più veloce dei tradizionali dischi rigidi in cui una testina di lettura/scrittura deve essere spostata in una regione specifica della superficie del disco con mezzi meccanici. In contrasto, gli elementi di memoria della pista funzionano utilizzando impulsi di corrente per spostare minuscole regioni magnetiche, o domini, su e giù per nanofili spessi solo poche centinaia di nanometri. In questi domini, tutti i momenti magnetici, come minuscoli aghi di bussola associati agli atomi del materiale, sono orientati nella stessa direzione e possono quindi essere utilizzati per rappresentare gli stati binari 0 e 1. Eliminando la necessità del movimento meccanico di una testina di lettura/scrittura, la memoria da pista offre tempi di accesso molto più rapidi rispetto ai tradizionali dischi rigidi. Tuttavia, anche i dati memorizzati in questo modo dovrebbero normalmente essere caricati nella memoria principale per essere elaborati.

"Quello che siamo riusciti a fare ora è eseguire operazioni logiche direttamente all'interno di questo tipo di elemento di memoria, "dice Zhaochu Luo, il ricercatore postdoc che ha portato avanti il ​​progetto. I computer utilizzano operazioni logiche per elaborare i dati. Per esempio, l'operatore logico NOT inverte un po', passando il suo valore da 0 a 1 o viceversa. Normalmente questa operazione viene eseguita nella memoria principale, con i dati che vengono letti e riscritti sull'hard disk magnetico ma non ivi elaborati direttamente.

Una curiosa interazione

"Il nostro metodo funziona in modo diverso, " dice Pietro Gambardella. "Usiamo una corrente elettrica per invertire la polarità delle regioni magnetiche, effettuando così un'operazione NOT sui dati memorizzati. Lo facciamo sfruttando un'interazione di scambio piuttosto particolare che si verifica quando depositiamo un film di cobalto magnetico su uno strato di platino." Come risultato di questa interazione, i momenti magnetici non sono né paralleli né antiparalleli tra loro, come sarebbe normalmente il caso. Anziché, per la presenza dello strato di platino, l'interazione fa sì che i momenti magnetici nei domini adiacenti si allineino perpendicolarmente l'uno all'altro. "È quasi come se l'ago di una bussola puntasse improvvisamente a est invece che a nord, "dice Gambardella.

Questo allineamento perpendicolare dei momenti magnetici porta anche ad un senso di rotazione preferito della magnetizzazione tra un dominio e il successivo, simile a come un cavatappi ruota in una direzione specifica. Quindi se un impulso di corrente viene ora passato attraverso lo strato di platino, gli elettroni che scorrono cambiano gradualmente la polarità degli "aghi della bussola" atomici nello strato di cobalto magnetico. Questo sposta le informazioni codificate nella magnetizzazione e crea un dominio magnetico itinerante. Quindi, in posizioni predefinite in cui l'interazione perpendicolare è forte, la direzione della magnetizzazione nel dominio viaggiante è invertita. Ciò corrisponde precisamente ad un'operazione NOT logica.

È possibile combinare tali operazioni in diversi elementi di memoria dell'autodromo, fornendo così altre operazioni logiche come AND, OR e NAND. Questi possono essere assemblati in circuiti più complessi, ad esempio per sommare due numeri (vedi immagine). Ma, a differenza dei circuiti convenzionali basati su semiconduttori in cui ogni transistor richiede la propria alimentazione, i nuovi circuiti di memoria dell'autodromo devono solo essere alimentati con corrente in ingresso e in uscita.

Usi nell'Internet delle cose

"Inizialmente, Vedo che la nostra tecnologia viene utilizzata principalmente in microprocessori con bassa potenza di calcolo, " spiega Gambardella. Un esempio particolarmente rilevante nel mondo di oggi è l'Internet of Things, in cui una varietà di dispositivi e sensori comunicano direttamente tra loro. I computer in questo tipo di dispositivi devono offrire funzionalità "istantanee", ovvero un funzionamento immediato senza il ritardo del caricamento di un sistema operativo, e un basso consumo energetico. Una tecnologia che combini memoria magnetica e operazioni logiche sarebbe l'ideale per questa applicazione.

In linea di principio, dice Gambardella, non c'è nulla che ostacoli il funzionamento di computer più grandi allo stesso modo. Ma in pratica, lui confessa, è improbabile che ciò accada in tempi brevi:"L'ottimizzazione dei materiali e dei processi di produzione a questo scopo è un'attività molto costosa per i produttori di chip, quindi è troppo presto per dire se la nostra tecnologia può sostituire la tecnologia dei semiconduttori convenzionale". lui discute, questo nuovo approccio è certamente abbastanza interessante da giustificare ulteriori indagini per scoprire fino a che punto può essere portato. I ricercatori hanno già richiesto un brevetto, quindi forse alla fine ci ritroveremo con un computer che ci permette di staccare la spina senza preoccuparci di perdere dati.