Новая троичная ячейка памяти из фуллерена и нанотрубки повысит производительность современных процессоров

Коллектив учёных России Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского (СГУ) разработал модель энергонезависимой ячейки памяти с тремя логическими состояниями на основе гибридной углеродной наноструктуры. Это позволит повысить производительность современных процессоров. Результаты работы описаны в статье в журнале Materials. Об исследовании сообщает пресс-релиз Минобрнауки.

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 «-1», система станет троичной, а биты превратятся в триты. На такой логике работал один из советских компьютеров, «Сетунь». Преимущество тритов перед битами в том, что они позволяют более эффективно использовать пространство памяти. Системы, основанные на трёхзначной 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 учёные всего мира искали структуру, которая могла бы обеспечить три устойчивых состояния. Учёные Саратовского университета в качестве такой структуры предложили Т-образную углеродную нанотрубку. Внутри неё находится свободный фуллерен C60 – молекула из 60 атомов углерода, расположенных в форме футбольного мяча. Эта молекула обладает уникальными свойствами: высокой плотностью, жёсткостью 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 её краям химически присоединена цепочка из других фуллеренов. Таким образом, свободный фуллерен может занимать три положения – возле каждого из краёв нанотрубки – что соответствует трём 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 Ольга Глухова.

Осуществить считывание записанной информации можно, определив, в каком из трёх состояний находится фуллерен. Для этого к двум из трёх краёв трубки учёные 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 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 учёных – первая в своём роде ячейка памяти с троичной логикой на основе углеродных наноструктур.

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

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

Учёные планируют продолжать совершенствовать разработанную модель и повышать её 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.

Решение о выдаче патента на изобретение получено 11.05.2023, заявка №2022134295. Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках выполнения государственного задания (проект № FSRR-2023-0008).