Yapay Zekada önemli adım: IBM bilgisayarlarda spintronik teknolojisi kullanacak

Salt elektrik yükü yerine elektronların dönüş yönüyle de çalışan kuantum bilgisayarlar geliyor 

LED kadar az enerji tüketen spintronik bilgisayarlar elektrik faturasına, küresel ısınmaya ve sunucularda ısınma problemine çare olacak.

1 ve 0 dışında ara değerler alan qubit veri birimlerini işleyen spintronik bilgisayarlar dünyanın ilk kuantum bilgisayarları olmaya aday.

Bugünkü elektronik devrelerden çok daha küçük çiplerin üretilmesine imkan veren spintronik bilgisayarlar kapandığında RAM silinmiyor. Bunun yerine, Windows’ta olduğu gibi uyku moduna geçen spintronik bilgisayarlar tekrar çalıştırıldığında anında açılıyor.

Spintronik bilgisayarlarda bilgi, salt elektrik yükü yerine, elektronların kendi etrafındaki dönüş yönüne (spin durumu) göre de depolanıyor. Bu nedenle elektronların dönüş yönünün bilgisayar bu bilgiyi işleyene kadar değişmeden kalması, yani spinin istikrarlı olması, spintronik işlemcilerin hayata geçirilmesi için kritik önem taşıyor.

Spintronik devreler üzerindeki araştırmalar 10 yıl önce başlamış ve ilk somut adım 2002 yılında atılmıştı. Ben de 2004’te, İtalya kökenli Focus popüler bilim ve kültür dergisinin Türkçe edisyonunda konuyla ilgili bir makale yazmıştım (bunun büyük gelecek vaat ettiğini düşündüğüm için yayın yönetmenimizi ikna edene kadar uğraştığımı hatırlıyorum  ).

Scientific American’ı kaynak olarak kullandığım yazıda belirtilen en büyük sorun, elektron spinlerinin bilgisayarlarda bilgiyi depolayacak ve işleyecek kadar istikrarlı olup olmadığıydı. IBM geçenlerde yarı iletkenlerde spin durumunu uzun süre değişmeden koruyan elektronlar gözlemlemeyi başardı. Bu da spintronik bilgisayarların yakında gerçek olacağı anlamına geliyor.

Soğutma derdine ve fan gürültüsüne son
Bilgiyi elektrik yüküne ek olarak elektronların kendi ekseni etrafındaki dönüş yönüne göre depolamanın en büyük avantajı elektrik tüketimini azaltmak. Bugün bilgisayarlar bilgiyi sadece elektrik yüküyle kaydediyor ve çok elektrik tüketiyor. Bilgisayarlar bu nedenle çok ısınıyor ve daha fazla elektrik tüketen soğutma sistemleri gerektiriyor. Benim gibi 5 fanlı bir oyun PC’si kullanıyorsanız odanın ne kadar gürültülü olduğunu tahmin edebilirsiniz. Ancak, bankalar gibi yüzlerce sunucu kullanan kurumlar için düşük enerji tüketimi ve soğutma sistemleri çok daha maliyetli bir konu.

Elektronik işlemcileri sonsuza kadar küçültmemiz imkansız
Moore yasasını bilirsiniz. Bilgisayarların işlem gücü 18 ayda bir iki katına çıkıyor. Bunu işlemciler ve diğer çiplerde kullanılan transistorları her seferinde daha da küçülterek başarıyoruz. Transistorlar küçülünce CPU’lara daha fazla devre sığdırabiliyor ve işlemcilerin daha hızlı çalışmasını sağlıyoruz ama bu küçültme furyasının da bir sınırı var.

Bugün NVIDIA’nın en yeni 600 serisi ekran kartlarında kullanılan Kepler GPU’lar 28 nanometre ölçeğinde üretiliyor ve gelecekte işlemciler daha da küçük ölçeklerde üretilecek. Ancak, işlemcilerin içindeki transistorları sonsuza kadar küçültmek mümkün değil. Teoride elektronik devrelerdeki transistorları atomaltı parçacık boyutuna kadar küçültebiliriz ama bu ölçekte kuantum fiziği devreye giriyor ve kuantum fiziği çok küçük transistorlar üretmemizi olanaksız kılıyor.

Kuantum fiziğinin tuhaf dünyası
Elektronik devrelerde kullanılan elektronlar kuantum fiziğine göre hem parçacık (nokta etkisi) hem de dalga gibi (alan etkisi) davranıyor ve Heisenberg’in Belirsizlik İlkesi’ne göre, bir elektronun hızını ve konumunu aynı anda kesin olarak bilmemiz imkansız. İşte bu sebeple elektronlar uzayda kesinlikle önceden tahmin edemeyeceğimiz bir şekilde “dalgalanarak”, bir yerden diğerine aniden sıçrayabiliyor. Yakın gelecekte elektronik devrelerde bu sınıra ulaşacağız.

Sınırı aşmaya çalışıp daha küçük transistorlar üretmeye kalkarsak elektronlar, devreleri meydana getiren teller arasında rastgele geçiş yapmaya başlayacak. Bu da hem bilgisayarlarda bilgi akışını bozarak işlemcilerin kafasını karıştıracak hem de kısa devreye yol açarak elektronik devrelerin yanmasına neden olacak. Bilim adamlarının 2000’lerin başında salt elektrik yüküyle çalışan bilgisayarlar yerine, manyetik alanlarla elektronların dönüş yönünü değiştirerek çalışan bilgisayarlar geliştirmeye yönelmesinin nedeni bu (elektronik yerine spintronik).

Spintronik bilgisayarlar çok hızlı
Elektronik bilgisayarlar, 28 nanometre ölçeğinde ürettiğimiz küçücük işlemcilere rağmen aslında bir fil kadar iri ve hantal cihazlar. Bir kere veriyi 1 ve 0 olarak tek tek elektronlara değil, çipler üzerindeki binlerce elektrondan oluşan büyük elektron kümelerine kaydediyorlar. Elektronik devreler bu kadar elektronu hareket ettirmek için çok fazla elektrik tüketiyor. İşte daha küçük ve hızlı işlemciler için bilgisayarlarda 5 fan veya sıvı soğutma sistemleri kullanmamızın nedeni bu. Üstelik ısınan bilgisayarlar yavaşlıyor ve elektrik enerjisinin büyük kısmını işlem yapmak yerine odayı ısıtarak ziyan ediyor.

Spintronik işlemciler aynı anda hem CPU hem de hard disk olarak çalışabilir
Spintronikte tek tek elektronlara veri kaydedebiliyoruz. Şimdi küçük bir spintronik çipte ne kadar çok atom ve elektron olduğunu ve teoride bu elektronlara ne kadar çok veri kaydedebileceğimizi düşünün. Spintronik ile bugünkü işlemcilerden milyonlarca kat daha hızlı çalışan CPU’lar üretebiliriz. Spintronik işlemcileri aynı zamanda depolama alanı, yani sabit disk olarak da kullanabiliriz.

Uzay Yolu’ndaki izolineer çipler gerçek olacak
Bunu biraz daha açalım: Salt elektrik yüküyle çalışan elektronik devrelerde bilgi işlem problemlerini çözmek için devreleri oluşturan tellerdeki elektronları hareket ettirmemiz gerekiyor. Bu da elektronik devrelerde işleyebileceğimiz veri miktarını önemli ölçüde sınırlandırıyor. Spintronik devrelerde ise elektronları hareket ettirmek zorunda değiliz. Sadece elektronların kendi etrafındaki dönüş yönünü değiştirebiliriz (saat yönü veya saat yönünün tersi). Elektronların yerini değil, yalnızca yönünü değiştirdiğimiz için, spintronik işlemcileri hem depolama alanı hem de CPU olarak kullanabiliriz.

Spintronik bilgisayarlar veri depolama için ayrıca sabit disk gerektirmeyecek ve az sayıda parçayla çok daha küçük boyutlarda çok daha ucuza üretilebilecek. Elektronları yalnızca elektrik yüküyle büyük gruplar halinde hareket ettirme zorunluluğunun ortadan kalkması, elektrik tüketimini ve buna bağlı olarak ısınmayı önemli ölçüde azaltacak. Elektronların dönüş yönünü değiştirmek için zayıf bir manyetik alan uygulamamız yetecek. Spintronik bilgisayarlar soğutmaya gerek olmadığı için çok sessiz çalışacak, ayrıca güçlü manyetik alanlar üretmediğinden, cep telefonlarında olduğu gibi kanser riskine de yol açmayacak.

Spintronik ve optik bilgisayarlar
Spintronik bilgisayarlarda metal kullanma zorunluluğu da bulunmuyor. Salt elektrik yükü kullanmadığımız için spintronik bilgisayarlarda sadece bakır teller ve metal işlemciler tercih etmek zorunda değiliz. Bu da spintronik devreleri kısmen fiber optik materyallerden, hatta ışığı imkansız açılarda bükerek görünmezliğe yol açan meta materyallerden üretebileceğimiz anlamına geliyor.

Bugün fiber optik kablolarla internette ve yerel ağlarda veri sinyallerini, ev sinema sistemlerinde ise ses sinyallerini iletebiliyoruz. Bir de spintronik teknolojisinden yararlanan optik bilgisayarlar geliştirdiğimizi düşünün. Uzay Yolu’nda hem veri depolama hem RAM hem de işlemci olarak kullanılan yarı saydam izolineer çiplerden söz ederken bunu anlatmaya çalışıyorum. Ancak, bu devrimsel teknoloji izolineer çiplerle sınırlı değil. Optik–spintronik bilgisayarlar dünyanın ilk Yapay Zeka sistemlerini, ilk zeki kuantum bilgisayarlarını geliştirmemizi sağlayabilir. Şimdi biraz da buna değinelim.

Sıcak ve soğuk dışında “ılık” kelimesinin de anlamını bilen zeki kuantum bilgisayarlar
Geleneksel bilgisayarlarda bitler (temel veri birimleri) 1 veya 0 değerini alıyor. Standart spintronik bilgisayarlarda bu değerler elektronun spin yukarı ve spin aşağı durumlarıyla ifade edilebilir (Kuantum fiziğinin bazı tuhaf özellikleri nedeniyle, bu yazının başında konunun kolay anlaşılması için kullandığım saat yönüne ve saat yönünün tersine dönüş ifadesini, aslında elektronlar için kullanamıyoruz. Bunun yerine spin yukarı ve spin aşağı ifadelerini kullanıyoruz).

Kuantum bitler ise sadece 1 (örneğin soğuk) ve 0 (örneğin sıcak) değil, ara değerleri de alabiliyor (örneğin ılık). Bunun nedeni, kuantum fiziğine göre ortamdan tümüyle izole edilmiş olan ve hiçbir enerji kaynağı ya da etkileşime maruz kalmayan elektronların, aynı anda hem spin yukarı hem de spin aşağı durumunda olması. Bir şeyin aynı anda iki farklı durumda olması sağduyuya aykırı ama kuantum fiziğine aykırı değil.

İşte yukarıda sözünü ettiğim yarı iletken spintronik devreler ve optik devreleri bir arada kullanarak elektronları ortamdan yalıtmanın bir yolunu bulabilir ve bu tür kuantum bitler (kubitler) oluşturabiliriz. Kubitlerle çalışan kuantum bilgisayarlar elektronun ara değerler alma özelliği sayesinde yorum yapma, anlayış gösterme, sevme veya nefret etme gibi tercihe bağlı yargılar geliştirebilir. Bu da insan gibi düşünen bilgisayarlar ve robotların önünü açacaktır. Bu konuya kuantum bilgisayarlarla ilgili başka bir yazıda geri döneceğim. Şimdi IBM’in elektronlarda istikrarlı spin gözlemlemeyi nasıl başardığına geçebiliriz.

En büyük sorun oda sıcaklığında çalışan spintronik devreler üretmek
IBM ve ETH Zurich’teki araştırmacılar galyum arsenürden üretilen bir yarı iletken madde üzerinde ve -232 derece sıcaklıkta (!) elektronların dönüş yönünü 1,1 nano saniye korumayı başardılar. Nano saniye, saniyenin milyarda biri demek ve bu kısa sürenin veri depolamak için yeterli olmadığını söyleyebilirsiniz. Ancak söz konusu RAM ve CPU olunca işler değişiyor. 1,1 nano saniye 1 Ghz’lik bir Atom işlemcinin 1 tam işlem döngüsü yapması için yeterli bir süre. Aynı zamanda elektronun belirli bir spin durumunda, yani spin değiştirmeden geçirdiği doğal sürenin otuz katı.

IBM başarısını elektronlarla ilgili olarak yeni keşfedilen bir fizik olayına borçlu: Bir yarı iletkende milimetrenin yüzde biri gibi kısa bir mesafe kat eden elektronlar grup olarak aynı spin durumuna geçiyor ve spin durumunu koruyor. IBM binlerce elektronun vals yapar gibi aynı yönde döndüğü bu olayı çok kısa aralıklarla yanıp sönen lazer ışınlarıyla tespit etti. İşin esprisi elektronların dönme hızını hareket yönüne senkronize etmek.

Elektronların grup halinde belirli bir yönde ilerlemesinden tahmin edebileceğiniz gibi, yazının başında söz ettiğim, hareketsiz elektronlara tek tek kayıt yapma teknolojisini henüz geliştirmedik. Şimdilik elektronların çok etkili bir yarı iletken olan galyum arsenür üzerinde grup halinde aynı yönde dönebildiğini gözlemledik. Bundan sonraki aşama elektronları spintronik işlemcilerde kullanılacak şekilde istediğimiz gibi örgütlemek, dönme yönlerini senkronize etmek olacak. Bilgisayar çağında çok heyecanlı bir 10 yıla girdiğimizi söyleyebiliriz.

http://www.zurich.ibm.com/st/spintronics/
http://researcher.watson.ibm.com/researcher/view_project.php?id=3740