Созданы логические элементы, имеющие контролируемый уровень "хаотичности" их работы - «Наука и технологии»

Исследователи из университета Пурду и Калифорнийского университета в Беркли обнаружили, что путем комбинации нескольких простых и известных устройств можно получить необычных логический элемент, демонстрирующий весьма странное поведение - его логика, с заданным процентом вероятности, может измениться на обратную (инверсную) в произвольный момент времени. Отметим, что подобные технологии управления вероятностью используются достаточно широко в современных криптографических системах, и создание аппаратного узла, который выполняет то, что раньше достигалось чисто программным путем, позволит значительно сократить нагрузку на процессоры компьютеров, занимающихся шифрованием и дешифровкой потоков данных в режиме реального времени.

Новое логическое устройство с настраиваемой хаотичностью получило название p-bit, на выходе такого устройства генерируется случайная последовательность 1 и 0. Однако, как было упомянуто выше, вероятностью результата работы p-bit-а можно управлять, к примеру, если задать вероятность в 40 процентов, то из каждых 100 бит сгенерированного потока данных 40 будут равны 1.

При помощи данных, генерируемых p-bit-ами, могут быть решены вычислительные задачи совершенно различного плана. Исследователи уже продемонстрировали новый вариант решения задачи о странствующем коммивояжере и других задач из серии оптимизации по нескольким критериям. Развивая идею дальше, исследователи создали на базе p-bit-ов модели аналогов традиционных логических элементов (NOT, AND, OR и более сложные комбинации), которые демонстрировали совершенно удивительное поведение, изменяющееся не только от заданного уровня "хаотичности", но и от значений данных на их входах.

Интересен тот факт, что ключевым компонентом p-bit является структура, во многом повторяющая структуру ячейки магнитной памяти MRAM. Эта ячейка состоит из двух ферромагнитных слоев, разделенных слоем немагнитного материала, а с функциональной точки зрения такая структура является магнитным туннельным переходом. Если направления намагниченности обоих ферромагнитных слоев выравнивается в одном направлении, то через туннельный переход может протекать электрический ток. Но если направления намагниченности слоев сдвинуты на 90 градусов, то переход "запирается" и ток не может протекать через него. При этом, материалы, используемые в современной MRAM-памяти настолько стабильны, что ферромагнитные слои сохраняют направление своей намагниченности в течение десятилетия и больше.

Для создания p-bit-а требуется совсем обратное - "плохая" ячейка MRAM-памяти, которая не нуждается в высоком электрическом потенциале для изменения направления намагниченности слоев. Она, эта ячейка, должна быть абсолютно нестабильна, случайные тепловые колебания атомов материала должны заставлять магнитное поле колебаться с частотой, измеряемой в гигагерцах. Управляемая "хаотичность" p-bit-а получается за счет дополнительного транзистора, который смещает потенциал всей ячейки в ту или иную сторону, заставляя сместиться в эту же сторону и последовательность вырабатываемых случайных значений.

К сожалению, p-bit-ы существуют в настоящее время только в виде математических моделей, а исследователи пытаются договориться с компаниями GlobalFoundries и TSMC, на технологическом оборудовании которых могут быть изготовлены первые опытные образцы чипов с p-bit-ами.