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Computador Barkhausen

Membro conhecido
Oct
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Barkhausen Computer

Antes de apresentar as bases do computador, um preâmbulo didático para entender o problema.

Aprendendo a contar com pedras


ovelhas.jpg


Alguns vestígios indicam que os pastores faziam o controle de seu rebanho usando conjuntos de pedras:


Ao soltar as ovelhas, o pastor separava uma pedra para cada animal que passava e guardava o monte de pedras.
Quando os animais voltavam, o pastor retirava do monte uma pedra para cada ovelha que passava.


Se sobrassem pedras, era certo que tinha perdido ovelhas.
Se faltassem pedras, saberia que o rebanho tinha aumentado.Desta forma os pastores mantinham tudo sob controle.

Uma ligação do tipo: para cada ovelha, uma pedra chama-se, em Matemática, correspondência um a um. Fazer uma correspondência um a um é associar, a cada objeto de uma coleção um objeto de outra coleção.

Como se vê, o Homem resolveu os seus primeiros problemas de cálculo usando a correspondência um a um. A correspondência um a um foi um dos passos decisivos para o surgimento da noção de número.

Afinal, alguma coisa em comum existia entre o monte de pedras e o grupo de ovelhas: se a quantidade de pedras correspondia exatamente à quantidade de ovelhas, esses dois conjuntos tinham uma propriedade comum: o número de ovelhas ou pedras.

O que o pastor fazia era uma correspondência biunívuca entre carneiros e pedras...

Correspondência biunívoca é uma expressão dada aos conjuntos na qual possuem em comum o mesmo número de elementos.

O computador Barkhausen é baseado no efeito de mesmo nome.

As postagens, feitas em tempos diferentes, começam da mesma maneira, mas se completam no final



O princípio do computador é baseado na contagem de estalidos gerados pelo aumento ou diminuição do campo magnético aplicado a um material ferromagnético, conforme experimento abaixo:


O professor utiliza um ímã permanente para fazer a demonstração.
Notar que a série de clicks seguidas assemelham-se ao barulho de chuva.


Se for usado um eletroímã no lugar de um ímã permanente, é possível construir um computador analógico-digital baseado no efeito Barkhausen.

Abaixo, um diagrama esquemático de uma balança computadorizada por efeito Barkhausen:

wstj10.jpg


Um peso é colocado sobre um prato ligado a um transdutor que transforma a força peso em tensão elétrica proporcional.

Essa tensão é levada a um amplficador de corrente.

A corrente ampflificada é aplicada a uma bobina com material ferromagnético histerético

Os estalidos gerados no material ferrogmanético são capturados por uma segunda bobina.

Os estalidos são amplificados e enviado a um contador de pulsos.

O contador de pulsos soma ou subtrai os estalidos de acordo com o comando do circuito detetor de variação de tensão, assim como a polaridade da corrente aplicada à bobina também é invertida pelo mesmo comando.

O resultado de soma/subtração de pulso é apresentado num mostrador digital (display).
 
Membro conhecido
Oct
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Computação com ondas magnéticas muda paradigma da computação
Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/06/2023
010110230609-magnonica-yig.jpg

Estrutura do novo componente montado pela equipe, que demonstrou o efeito inesperado que viabiliza a computação na memória.
[Imagem: LMGN/EPFL]
O problema

Assim como a spintrônica ou a fotônica, a magnônica oferece uma rota para o avanço das tecnologias da informação no que diz respeito à velocidade, arquitetura do processador e menor consumo de energia.

Cada elétron tem um momento magnético, chamado spin, que deu origem à spintrônica. Mas há também um comportamento coletivo, quando os spins de elétrons adjacentes comportam-se de maneira ordenada, criando uma onda - uma onda de spins.

Um magnon corresponde à quantidade específica de energia necessária para alterar a magnetização de um material por meio dessas ondas de spin.

Por interagirem com campos magnéticos, os magnons podem ser usados para codificar e transportar dados sem ser necessário gerar fluxos de elétrons, que envolvem perda de energia por aquecimento (conhecido como aquecimento Joule) do condutor usado.

"Com o advento da inteligência artificial, o uso da tecnologia de computação aumentou tanto que o consumo de energia ameaça seu desenvolvimento. Uma questão importante é a arquitetura de computação tradicional, que separa processadores e memória. As conversões de sinal envolvidas na movimentação de dados entre diferentes componentes retardam a computação e desperdiçam energia," explica o professor Dirk Grundler, da Escola Politécnica Federal de Lausanne (EPFL), na Suíça.

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O material usado pela dupla, o YIG, também está abrindo novas rotas para a computação quântica.
[Imagem: Yi Li et al. - 10.1103/PhysRevLett.128.047701]
A solução

Essa ineficiência, conhecida como gargalo de Von Neumann - Von Neumann é o nome da arquitetura dos computadores atuais -, tem feito com que os pesquisadores busquem novas arquiteturas de computação que possam atender melhor às demandas dos megadados.

Agora, Grundler e seu colega Korbinian Baumgaertl acreditam ter tropeçado em um "santo graal" que iluminará o caminho a seguir.

Com outras intenções, a dupla estava fazendo experimentos com uma pastilha disponível comercialmente do isolador ferrimagnético granada de ítrio-ferro (YIG), sobre a qual eles haviam sobreposto tiras muito finas, em escala nanométrica, de materiais magnéticos.

Foi aí que eles perceberam que seus experimentos, que usavam unicamente sinais de radiofrequência, estavam induzindo ondas de spin em frequências específicas, na faixa dos gigahertz. Melhor do que isso, bastava controlar as ondas de rádio para gerar ou reverter a magnetização dos nanoímãs de superfície.

"As duas orientações possíveis desses nanoímãs representam os estados magnéticos 0 e 1, o que permite que a informação digital seja codificada e armazenada," explicou Grundler.

"Agora podemos mostrar que as mesmas ondas que usamos para processamento de dados podem ser usadas para chavear as nanoestruturas magnéticas, de modo que também tenhamos armazenamento magnético não-volátil dentro do mesmo sistema," acrescentou o pesquisador, destacando que "não-volátil" refere-se ao armazenamento estável de dados durante longos períodos de tempo sem necessidade do fornecimento contínuo de energia.

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Existem várias abordagens para integrar processadores e memória, o que é ideal para a inteligência artificial.
[Imagem: Xiwen Liu et al. - 10.1021/acs.nanolett.0c05051]

Computação na memória

É essa capacidade de processar e armazenar dados no mesmo componente que dá à técnica seu potencial para mudar o atual paradigma de arquitetura de computação, pondo fim à separação entre processadores e memórias, viabilizando a chamada computação na memória.

Teoricamente, a abordagem magnônica pode processar dados na faixa dos terahertz, enquanto os computadores atuais funcionam na faixa de gigahertz. No entanto, ainda será preciso demonstrar isso experimentalmente.

"A promessa desta tecnologia para uma computação mais sustentável é enorme. Com esta publicação, esperamos reforçar o interesse na computação baseada em ondas e atrair mais jovens pesquisadores para o crescente campo da magnônica," disse Grundler.

Bibliografia:

Artigo: Reversal of nanomagnets by propagating magnons in ferrimagnetic yttrium iron garnet enabling nonvolatile magnon memory
Autores: Korbinian Baumgaertl, Dirk Grundler
Revista: Nature Communications
Vol.: 14, Article number: 1490
DOI: 10.1038/s41467-023-37078-8


Interessante...
A técnica de duplicação de fitas magnéticas, largamente utilizada nos tempos dos videocassetes, é uma coisa antiga:

A duplicação de fita magnética pelo método de impressão por contato foi desenvolvida pela primeira vez em 1949, mas ainda havia muitas dificuldades no caminho da duplicação bem-sucedida em sinais de comprimento de onda curtos de alguns micrômetros. O sistema de enrolamento de fita bifilar foi recentemente desenvolvido para a duplicação bem-sucedida de sinais tão curtos quanto 2 μm. A intensidade ideal do campo de transferência para a saída máxima da fita escrava duplicada é exatamente o mesmo valor, mesmo em comprimentos de onda muito curtos. A coercividade ideal da fita mestre é cerca de duas vezes e meia a da fita escrava. A diminuição da fita master gravada no comprimento de onda de 2 μm está dentro de 2 dB para a primeira duplicação sem diminuição adicional após mais de centenas de duplicações. Este sistema é aplicado a um duplicador de fita de vídeo e pode transferir automaticamente um programa de 1 hora em 2 minutos. A qualidade da imagem duplicada é quase imperceptível do mestre. Este sistema também é adaptável à duplicação de áudio, digital e quaisquer outras fitas magnéticas ou informações de folha.

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