Намаляването на размерите на транзисторите неизбежно води до увеличаване на токовите загуби поради тунелирането на електрони дори през затворени гейтове. Това, както и други фактори, скоро може да спре развитието на токовата електроника, докато нуждата от изчислителна мощност ще продължи да нараства. За този случай в САЩ е разработен принципно нов транзистор, работещ на базата на магнитно-акустични вълни.

Разработката е извършена съвместно от учени от Университета на Мичигани Университета на Уисконсин. Ако по принцип не е възможно да се откажем от транзисторите, тъй като върху тях е изградена цялата съществуваща изчислителна архитектура и алгоритми, тогава просто трябва да заменим обикновените транзистори с устройства, работещи по различен принцип – не на базата на ток (движение на електрони), казват изследователите.

Постигнатият напредък по новата разработка се оказа толкова перспективен, че проектът получи финансиране в размер на около 6 млн. долара от Агенцията за перспективни изследователски проекти към Министерството на отбраната на САЩ (DARPA) в рамките на програмата „Fast and Curious“. Разработваното устройство е наречено M3BOLT. Това е абревиатура от наименованието на проекта „Multiferroic Magnetoelectric–Magnetoacoustic Beyond-charge Logic via Tunable Transmission“.

Принципът на работа на новия транзистор се основава на използването на магнитни и звукови вълни вместо обичайния пренос на електрони. Според прогнозите тази алтернатива ще може да повиши скоростта на изчисленията 100-1000 пъти и значително ще намали енергопотреблението.

В основата на M3BOLT стои многослойна структура от два материала с различни физични свойства. Долният слой е сегнетоелектричен кристал PMN-PT (фероелектрик в англоезичната литература), представляващ съединение на магнезиев-оловен ниобат и оловен титанат. Отгоре е разположен тънък слой от магнитна сплав на желязо и галий (FeGa).

Под действието на електрическо поле атомите в сегнетоелектричния слой се изместват, предавайки механична деформация на горния магнитен слой от FeGa. В резултат на това в магнитния слой се променя ориентацията на магнитните моменти и по филма се разпространяват магнитни вълни. Това се случва благодарение на синхронизираните колебания на магноните – кванти на възбуждане на спиновата вълна. По този начин информацията се предава без преместване на електрони и изобщо без използване на електрически заряд.

За представяне на данните под формата на познатите нули и единици разработчиците предлагат да се използват две състояния на материала. В единия случай магнитните моменти осцилират, образувайки магнонна вълна, което съответства на единица. В другия случай тяхната ориентация се променя така, че магнитните колебания се потискат и вместо тях се разпространяват акустични възмущения – фононна вълна.

Според замисъла на авторите, вълновите процеси ще могат да работят на честоти в терахерцовия диапазон, докато съвременните процесори използват тактови честоти от порядъка на няколко гигахерца. Допълнително предимство е възможността за запазване на ориентацията на магнитните моменти след изключване на захранването, благодарение на което един и същ материал потенциално ще може да изпълнява функциите както на изчислителен елемент, така и на енергонезависима памет. По същество става дума за изчисления в паметта – това също е важна технология за напредък по скалата на производителността и енергийната ефективност на изчисленията.

Проектът M3BOLT се намира в ранен етап на разработка. Екипът под ръководството на Университета на Мичиган се занимава с проектирането на устройството и логическите схеми, докато групата от Университета на Уисконсин в Мадисън ще моделира физическите процеси, влиянието на дефектите в материалите и особеностите на граничните състояния между слоевете.

От своя страна, DARPA в рамките на програмата „Fast and Curious“ поставя пред разработчиците по-широка задача – да създадат логически схеми, които да превъзхождат съвременните решения на базата на CMOS по енергийна ефективност поне 100 пъти. Самите разработчици вярват, че новият транзистор ще може да надмине съвременните си аналози 1000 пъти. Това все още предстои да бъде проверено на практика, но никой не обещава конкретни резултати преди средата на 2030-те години.