Memorizzazione magnetica dei dati con logica

Chiunque abbia mai staccato accidentalmente un computer desktop sa che tutte le informazioni che non sono state memorizzate in modo permanente in quel momento sono irrimediabilmente perse. I computer hanno una rigida divisione del lavoro. I dati che il computer sta utilizzando sono memorizzati nella memoria di lavoro che, come il processore del computer, si basa su transistor controllati elettricamente. La memoria di lavoro è quindi "volatile": Se viene a mancare l'alimentazione, anche i dati vengono a mancare. I dati da conservare a lungo termine, come programmi, immagini o video, vengono archiviati in forma non volatile in una memoria flash o su un disco rigido magnetico, da dove vengono caricati nella memoria principale per essere utilizzati in seguito, se necessario.

All'ETH di Zurigo e all'Istituto Paul Scherrer (PSI), un team guidato da Pietro Gambardella e Laura Heyderman sta cercando di rivoluzionare questo principio, utilizzato da decenni. Il loro obiettivo è quello di costruire una memoria di lavoro veloce e non volatile che possa anche eseguire operazioni logiche come note, OR o AND sui dati. Recentemente hanno raggiunto un'importante pietra miliare sulla strada verso questo obiettivo, pubblicata sulla rinomata rivista scientifica "Nature".

Memoria veloce a circuito chiuso

Da diversi anni i ricercatori stanno sviluppando memorie magnetiche a circuito chiuso. Queste sono molto più veloci dei dischi rigidi tradizionali, in cui una testina di lettura e scrittura deve essere guidata meccanicamente in una posizione specifica sul disco. Al contrario, i nuovi elementi di memorizzazione utilizzano una corrente elettrica per spostare minuscoli array magnetici attraverso un filo spesso solo poche centinaia di nanometri. In questi distretti, tutti i momenti magnetici - paragonabili a piccoli aghi di bussola appartenenti agli atomi del materiale - puntano nella stessa direzione e rappresentano quindi i valori binari 0 e 1 dei bit. Nelle memorie a circuito, il movimento meccanico di una testina di lettura/scrittura diventa superfluo, per cui hanno tempi di accesso significativamente più rapidi rispetto ai dischi rigidi tradizionali. Tuttavia, i dati memorizzati in questo modo devono essere normalmente caricati in una memoria di lavoro per essere elaborati.

"Ora siamo riusciti a eseguire operazioni logiche direttamente in un elemento di memoria di questo tipo", afferma Zhaochu Luo, che ha portato avanti il progetto come ricercatore post-dottorando. Le operazioni logiche sono utilizzate nei computer per l'elaborazione dei dati. La nota logica, ad esempio, converte il valore 0 di un bit in 1 e viceversa. Questa operazione avviene normalmente nella memoria di lavoro, mentre i dati sul disco rigido magnetico vengono letti e riscritti, ma non elaborati direttamente.

Una strana interazione

"Qui è diverso", spiega Pietro Gambardella. "Con l'aiuto di una corrente elettrica, possiamo invertire la polarità delle regioni magnetiche e quindi eseguire una nota sui dati memorizzati. Per farlo, utilizziamo una strana interazione che si verifica quando applichiamo una pellicola magnetica di cobalto a uno strato di platino". Questa strana interazione significa che i momenti magnetici non sono allineati in parallelo o in direzioni opposte, come avverrebbe normalmente. Attraverso lo strato di platino, l'interazione può garantire che i momenti magnetici nelle aree vicine siano disposti ad angolo retto l'uno rispetto all'altro. "? un po' come se l'ago di una bussola non puntasse più verso nord, ma verso est", spiega Gambardella.

Questa disposizione ad angolo retto dei momenti magnetici crea un senso di rotazione preferenziale della magnetizzazione tra i distretti adiacenti, simile a un cavatappi che ruota in una certa direzione. Se ora si invia un impulso di corrente attraverso lo strato di platino, gli elettroni che vi scorrono invertono gradualmente la polarità degli aghi della bussola atomica nello strato magnetico di cobalto, creando così un distretto magnetico itinerante. Nei punti definiti in cui l'interazione perpendicolare è forte, la direzione di magnetizzazione del distretto vagante viene invertita. Ciò corrisponde esattamente alla nota logica.

Tali operazioni in diverse memorie a circuito possono ora essere combinate, consentendo di realizzare altre operazioni logiche come AND, OR o NAND. Queste possono a loro volta essere combinate per formare circuiti più complicati che sommano due numeri, ad esempio (vedi immagine). A differenza dei circuiti convenzionali basati sui semiconduttori, tuttavia, in cui ogni transistor richiede una propria alimentazione, i nuovi circuiti racetrack in linea di principio necessitano solo di corrente elettrica in ingresso e in uscita.

Applicazioni nell'Internet degli oggetti

"La nostra tecnologia potrebbe inizialmente essere utilizzata soprattutto nei microprocessori a bassa potenza di calcolo", spiega Gambardella. Un esempio attuale è l'Internet delle cose, in cui vari dispositivi e sensori comunicano direttamente tra loro. I computer di questi dispositivi devono essere instant-on, cioè immediatamente pronti all'uso e senza la necessità di caricare i sistemi operativi, e consumare poca energia. Una tecnologia che combini memoria magnetica e operazioni logiche sarebbe ideale per questo scopo.

In linea di principio, anche altri computer più grandi potrebbero essere gestiti in questo modo, afferma Gambardella. In pratica, però, ammette che ciò non avverrà nel prossimo futuro: "Ottimizzare i materiali e i processi di produzione in questo modo è molto costoso per i produttori di chip, quindi è ancora troppo presto per dire se la nostra tecnologia potrà sostituire la tecnologia convenzionale dei semiconduttori", ma ritiene che l'approccio sia sufficientemente interessante per proseguire e vedere fino a che punto può essere portato avanti. In ogni caso, i ricercatori hanno già fatto richiesta di brevetto. Alla fine, potrebbe esistere un computer che può essere scollegato senza perdere alcun dato.