כמה אנרגיה נדרשת למחשב לעבוד? פיזיקאים ישראליים ענו

יש גבול תיאורטי שאין דרך לעקוף אותו: כמות האנרגיה הדרושה למחיקת סיטת מידע. פיזיקאים מכנים אותו גבול לנדהאור, והוא נגזר ישירות מחוקי התרמודינמיקה הבסיסיים. עבור מרבית המעבדים שאנחנו מכירים, הגבול הזה נשמע כמו סקרנות אקדמית בלבד, אך הוא קיים ומגביל.

במציאות היומיומית, מעבדים צורכים אנרגיה הרבה מעבר לגבול הזה בגלל אי יעירויות תרמודינמיות. אבל בחוג לפיזיקה של האוניברסיטה העברית בירושלים, החוקרים מצאו דרך ייחודית להגיע אל הגבול הזה ולמדוד אותו בפועל, תוך שימוש במבנים זעירים ומתוחכמים.

החוקרים הראו כי ניתן להפעיל יחידת זיכרון מבוססת וורטקס סופר מוליך באנרגיה נמוכה בצורה מדהימה. הסיבה לפיה זה כל כך חשוב נעוצה בכך שמחשבים קוונטיים עובדים בטמפרטורות קיצוניות, שם כל ג'אול של חום מיותר יכול להרוס את המידע הקוונטי הרגיש.

הדרך ליעילות האנרגטית הזו עוברת דרך חלקיקים זעירים וקרים. המחקר הזה אינו רק תיאורטי, אלא מדגים מערכת פיזיקלית אמיתית שמצליחה לעמוד בקריטריונים הקשים ביותר של חסכון באנרגיה.

המבנה הזעיר שמחזיק מידע

הרעיון המרכזי של המחקר הוא שימוש במבנה מגנטי זעיר הנקרא וורטקס סופר מוליך. מבנה זה נוצר בתוך חומרים מסוימים כאשר הם מקוררים לטמפרטורות קרובות לבלאצוליט המוחלט, תנאי קיצוניים המאפשרים תופעות קוונטיות ייחודיות.

החוקרים הצליחו לכבס את הוורטקס באחד משני מיקומים יציבים, ובכך לקודד מידע דיגיטלי בסיסי: אפס או אחד. השיטה הזו מאפשרת ייצוג של מידע באמצעות תכונות מגנטיות ללא צורך בזרמי חשמל גבוהים שמייצרים חום.

האתגר הגדול היה למדוד כמה אנרגיה נצרכת בתהליך הזה. מדובר במכונות זעירות מאוד, ולכן המדידה אינה פשוטה כלל. צוות המחקר, בראשות יונתן אנהורי ונופר פרידמן, השתמש במכשור רגיש בשם SQUID-on-tip microscope כדי לעקוב אחרי התגובה המגנטית של הוורטקס תוך כדי תנועתו.

במקום לנסות ומדוד את החום ששחרר הוורטקס, הם עקבו אחר המגנטיות שלו. שיטה זו אפשרה להם להגיע למדידות מדויקות של האנרגיה הנצרכת לכל מחזור פעולה של יחידת הזיכרון, תוך חיסול רעשי רקע מפריעים.

השימוש במיקרוסקופ SQUID-on-tip היה קריטי להצלחת המחקר. המכשיר הזה מאפשר מדידות מגנטיות ברמה של ננומטר, מה שמאפשר לתת תמונה מלאה של האנרגיה המושקעת בכל פעולה בודדת של קידוד מידע.

קרוב לגבול הפיזיקלי

התוצאות שנמדדו היו מרשימות: האנרגיה שנצרכה למחזור פעולה עמדה על פי ארבעה עד פי חמישה של גבול לנדהאור. זהו מספר הקרוב ביותר שידוע עד כה לגבול התאורטי, ומדגים רמה גבוהה מאוד של יעילות אנרגטית.

עבור מערכות שפועלות בטמפרטורות נמוכות מאוד, כמו מחשבים קוונטיים, יתרון זה יכול להיות משמעותי. כל חסכון קטן באנרגיה מתורגם ישירות לשמירה על יציבות המצב הקוונטי ולצמצום שגיאות חישוב.

אנהורי ציין כי העבודה מודדת את האנרגיה הנדרשת להפעלת יחידת זיכרון מבוססת וורטקס. הממצאים מצביעים על כך שהמערכת יכולה לפעול בקרבת המינימום המותר לפי הפיזיקה, מה שמציג פוטנציאל עצום ליישום בטכנולוגיות מתקדמות.

זהו צעד ראשוני, אך משמעותי, כלפי מערכות חישוב יעילות יותר. ההבנה העמוקה של האופן שבו אנרגיה מנוצלת ברמה הזו מאפשרת לעצב רכיבים עתידיים שיהיו קרובים ככל האפשר לגבולות הפיזיקה.

ההשלכות על עתיד המחשבים

המחקר נערך בעיקר במעבדתית, והוא אינו מוכיח עדיין כי ניתן להרחיב את השיטה למערכות גדולות. אולם, הפוטנציאל של טכנולוגיה כזו להפחית את צריכת האנרגיה ברכיבים קריטיים של מחשבים קוונטיים הוא עצום.

עם התפתחות המחשבים הקוונטיים, הדרישה ליעילות אנרגטית תגדל. כל פרויקט שמצליח להפחית את החום שנוצר תוך כדי עיבוד מידע הוא רכיב קריטי להצלחת הטכנולוגיה כולה.

המחקר הישראלי הזה מציג דרך חדשה להסתכל על הזיכרון הדיגיטלי, ופותח פתח לשיפורים משמעותיים בטכנולוגיה. הוא מדגים כיצד הבנה עמוקה של פיזיקה יסודית יכולה להוביל לפריצות דרך טכנולוגיות משמעותיות.