یک مسیر مغناطیسی برای محاسبه توان کمتر

نویسنده: جوزف ای. هارمون

Newswise – یک مطالعه به رهبری Argonne یک قانون طراحی هندسی ساده را شناسایی می کند که می تواند به مهندسان کمک کند تا سیستم های محاسباتی فوق العاده کم توان قابل اعتماد بسازند.

از تلفن‌های هوشمند گرفته تا مراکز داده، وسایل الکترونیکی مدرن به میلیاردها کلید کوچک متکی هستند که هر بار که روشن یا خاموش می‌شوند، برق مصرف می‌کنند. با افزایش تقاضای جهانی برای کامپیوترها، انرژی مورد نیاز برای تامین انرژی آنها نیز افزایش می یابد. بنابراین، دانشمندان به دنبال جایگزین هایی هستند که بتوانند وظایف مشابه را با استفاده از انرژی بسیار کمتر انجام دهند.

یک رویکرد امیدوارکننده از آرایه هایی از آهنرباهای کوچک استفاده می کند که هر کدام هزاران بار کوچکتر از یک دانه شن است. یک مطالعه جدید به رهبری آزمایشگاه ملی آرگون (DOE) وزارت انرژی ایالات متحده، با مشارکت آزمایشگاه ملی لوس آلاموس و دانشگاه آدولفو ایبانیز در شیلی، یک قانون هندسی را نشان داده است که تعیین می‌کند خوشه‌های نانومغناطیس در حالتی که در حالت آرام قرار می‌گیرند، رفتار قابل پیش‌بینی یا احتمالی دارند. این کشف مفروضات مدل‌سازی استاندارد را به چالش می‌کشد و فرصت‌های جدیدی را برای محاسبات بسیار کم انرژی باز می‌کند.

هانو آراوا، دانشمند مواد آرگون، نویسنده اصلی این مطالعه، گفت: «آنچه ما پیدا کردیم رابطه بین ساختار و عملکرد است. “در مورد ما، ساختار آرایش هندسی آهنرباها نسبت به یکدیگر است و عملکرد آن نحوه حرکت انرژی در سیستم است.”

ما نشان داده‌ایم که هندسه به تنهایی می‌تواند تعیین کند که انرژی چگونه در این سیستم‌های مغناطیسی حرکت می‌کند، و این بینش راهی جدید برای طراحی دستگاه‌های محاسباتی به ما می‌دهد. – دانشمند مواد آرگونیایی هانو آراوا

برای توضیح این روند، آراوا آن را با انداختن توپ از بالای کوه مقایسه می کند. توپ به طور طبیعی در ساده ترین مسیر می غلتد تا به پایین ترین نقطه برسد. دانشمندان این مسیر را مسیر آرامش انرژی می نامند – مسیری که سیستم در حال حرکت به سمت پایدارترین حالت خود دنبال می کند. در سیستم نانومغناطیسی، آهن‌رباها از طریق میدان‌های مغناطیسی خود به روشی پیچیده‌تر برهمکنش می‌کنند، اما از همان اصل اساسی پیروی می‌کنند: حرکت گام به گام به سمت پایین‌ترین پیکربندی انرژی.

برای کشف این ارتباط، محققان یک پیشرفت هندسی ساده را در مرکز مواد نانومقیاس Argonne، یک مرکز کاربری دفتر علوم DOE بررسی کردند. آنها با چهار نانومغناطیس که در یک علامت ضربدر یونانی یا به اضافه چیده شده بودند شروع کردند، سپس هر چهار نانومغناطیس را به طور همزمان چرخاندند تا اینکه یک مربع تشکیل دادند. در فواصل زمانی در طول مسیر، تیم ارزیابی می کند که چگونه سیستم به سمت پایدارترین حالت خود آرام می شود.

چیزی که آنها پیدا کردند شگفت آور بود. در هندسه مربع، آهنرباها به یک پیکربندی پایدار با احتمال بسیار بالا شل شدند. در هندسه متقاطع، سیستم با یک مانع انرژی مواجه شد و آرامش آن بسیار کمتر قابل پیش بینی بود، که گاهی به نتایج متفاوتی منجر می شد. بین این دو افراط، محققان یک نقطه اوج را شناسایی کردند.

هنگامی که آهنرباها به نقطه وسط بین حالت های مربع و علامت مثبت چرخانده شدند، سیستم به تعادلی رسید که در آن نتایج چندگانه به یک اندازه محتمل بود. در هر دو طرف این نقطه میانی، رفتار یا قابل اعتمادتر یا نامطمئن تر شد. حتی زمانی که محققان طول آهنرباها را تغییر دادند، همین الگوی اساسی ادامه داشت.

برای درک اینکه چگونه هندسه رفتار سیستم را کنترل می کند، محققان از یک مدل نظری استفاده کردند که هر آهنربای کوچک را به عنوان یک جسم با ساختار داخلی به جای یک نقطه ساده در نظر می گیرد. این رویکرد فعل و انفعالات پنهان را در اتصالات نشان می دهد و نشان می دهد که مدل های ساده می توانند ویژگی های کلیدی فیزیک را از دست بدهند.

برای فناوری‌های محاسباتی مرسوم، پیش‌بینی‌پذیری ضروری است. دستگاه باید هر بار که یک محاسبه را انجام می دهد نتیجه یکسانی را بدهد. یافته های جدید نشان می دهد که مهندسان ممکن است بتوانند این قابلیت اطمینان را به سادگی با تنظیم قرار دادن عناصر مغناطیسی کنترل کنند.

آراوا گفت: “اگر می خواهید سخت افزار محاسباتی بسازید، معمولاً نیاز دارید که خروجی قابل پیش بینی باشد.” “یک به علاوه یک باید برابر با دو باشد.”

در عین حال، سیستم‌هایی که چندین پیامد ممکن را تولید می‌کنند، می‌توانند برای اشکال محاسباتی نوظهور که به جای اطمینان به احتمال متکی هستند، مانند یادگیری ماشین و بهینه‌سازی مفید باشند.

آراوا گفت: «مسیری که انرژی طی می کند تعیین می کند که آیا نتیجه قابل اعتماد است یا غیرقابل اعتماد. برای مهندسانی که دستگاه‌های محاسباتی را طراحی می‌کنند، این بدان معناست که آنها ممکن است بتوانند زاویه چرخش را در خوشه‌های نانومغناطیسی تنظیم کنند تا به این یا آن نتیجه دست یابند.»

اگرچه این آزمایش تنها شامل چهار نانومغناطیس بود، اما نتیجه نتایج گسترده‌تری دارد. در دستگاه های مغناطیسی بزرگتر، هزاران خوشه از این دست باید با هم کار کنند. درک چگونگی رفتار یک بلوک ساختمانی برای طراحی سیستم های پیچیده تر ضروری است. یافته‌های جدید به مهندسان یک اصل طراحی ساده می‌دهد: زاویه چرخش آهن‌رباها را تنظیم کنید تا چقدر مطمئن به یک حالت پایانی قابل پیش‌بینی برسند.

دستگاه‌های نانومغناطیسی قبلاً پتانسیل عملکرد با استفاده از مقادیر بسیار کم انرژی را نشان داده‌اند – احتمالاً میلیون‌ها برابر کمتر از قطعات الکترونیکی معمولی. اگر بتوان چنین سیستم هایی را قابل اعتماد و مقیاس پذیر ساخت، می توانند به کاهش تقاضای رو به رشد انرژی زیرساخت های محاسباتی در سراسر جهان کمک کنند.

تحقیقات جدید گامی عملی به سوی این هدف ارائه می دهد.

آراوا گفت: «ما نشان داده‌ایم که هندسه به تنهایی می‌تواند تعیین کند که انرژی چگونه در این سیستم‌های مغناطیسی حرکت می‌کند، و این بینش راهی جدید برای طراحی دستگاه‌های محاسباتی به ما می‌دهد.»

این تحقیق در Communications Materials ظاهر شد. علاوه بر آراوا، نویسندگان شامل ایگناسیو تاپیا، تیموتی کوت، جاستین وودز، فرانک باروز، جان فولرتون و پائولا ملادو هستند. بودجه این پروژه توسط دفتر علوم پایه انرژی وزارت انرژی تامین شد.

جوزف ای. هارمون نویسنده و ویراستار علمی است. او بیش از چهار دهه به عنوان نویسنده، ویراستار و مدیر ارتباطات در Argonne خدمت کرد و در چندین زمینه تحقیقاتی کار کرد. او که اکنون نویسنده ای آزاد برای Argonne است، بر ارتباطات در علوم فیزیکی تمرکز دارد. او به عنوان یک محقق مستقل، شش کتاب در زمینه ارتباطات علمی با مرحوم آلن جی. گراس تالیف کرد.

درباره مرکز آرگون برای مواد نانومقیاس

مرکز مواد در مقیاس نانو یکی از پنج مرکز تحقیقاتی نانومقیاس DOE است که پیشروترین امکانات کاربر ملی برای تحقیقات بین رشته‌ای در مقیاس نانو است که توسط دفتر علوم DOE پشتیبانی می‌شود. با هم، NSRCها مجموعه‌ای از تسهیلات تکمیلی را تشکیل می‌دهند که قابلیت‌های پیشرفته‌ای را برای ساخت، پردازش، شناسایی و مدل‌سازی مواد در مقیاس نانو در اختیار محققان قرار می‌دهند و بزرگترین سرمایه‌گذاری زیرساختی طرح ملی نانوتکنولوژی را نشان می‌دهند. NSRC ها در آزمایشگاه های ملی DOE Argonne، Brookhaven، Lawrence Berkeley، Oak Ridge، Sandia و Los Alamos واقع شده اند. برای اطلاعات بیشتر در مورد NSRC DOE، لطفاً به https://sci​ence​.osti.gov/User​-Fa​cil ities/User-Faci​l​i​ie-t-a-a‏ مراجعه کنید.

آزمایشگاه ملی آرگون با انجام تحقیقات بنیادی و کاربردی پیشرو در تقریباً هر رشته علمی به دنبال راه حلی برای مشکلات مبرم ملی در علم و فناوری است. Argonne توسط UChicago Argonne، LLC برای دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده اداره می شود.

دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما تلاش می کند. برای اطلاعات بیشتر، به https://energy.gov/​science مراجعه کنید.