Сверхбыстрые компьютерные чипы, которые сохраняют данные даже при отсутствии питания

Friday, April 26, 2024

Международная группа исследователей создала новый метод переключения намагниченности - процесс, используемый для «записи» информации в магнитную память, который почти в 100 раз быстрее, чем современные устройства спинтроники. Прогресс может привести к разработке сверхбыстрой магнитной памяти для компьютерных микросхем, которая сохраняла бы данные даже при отсутствии питания.

Устройства спинтроники представляют собой привлекательную альтернативу обычным компьютерным микросхемам, обеспечивая хранение цифровой информации, которое отличается высокой энергоэффективностью, а также относительно простым в производстве в больших масштабах. Однако этим устройствам, которые полагаются на магнитную память, все еще мешает их относительно низкая скорость по сравнению с обычными электронными чипами.

В статье, опубликованной в журнале Nature Electronics , международная группа исследователей сообщила о новом методе переключения намагниченности - процессе, который используется для «записи» информации в магнитную память, который почти в 100 раз быстрее, чем в настоящее время аппараты спинтроники. Прогресс может привести к разработке сверхбыстрой магнитной памяти для компьютерных микросхем, которая сохранит данные даже при отсутствии питания.

В своем исследовании исследователи сообщают об использовании чрезвычайно коротких 6-пикосекундных электрических импульсов для переключения намагниченности тонкой пленки в магнитном устройстве с высокой энергоэффективностью. Пикосекунда - это одна триллионная секунды.

Исследование возглавил Джон Горшон, исследователь Французского национального центра научных исследований (CNRS), работающий в L'Institut Jean Lamour при Университете Лотарингии во Франции, в сотрудничестве с Джеффри Бокором, профессором электротехники и компьютерных наук в Калифорнийский университет в Беркли и Ричард Уилсон, доцент кафедры машиностроения, материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Риверсайде. Проект начался в Калифорнийском университете в Беркли, когда Горчон и Уилсон были аспирантами в лаборатории Бокора.

В обычных компьютерных микросхемах нули и единицы двоичных данных хранятся как состояния «включено» или «выключено» отдельных кремниевых транзисторов. В магнитной памяти та же самая информация может храниться как противоположные полярности намагничивания, которые обычно рассматриваются как состояния «вверх» или «вниз». Эта магнитная память является основой для памяти на магнитных жестких дисках, технологии, используемой для хранения огромных объемов данных в облаке.

Ключевой особенностью магнитной памяти является то, что данные являются «энергонезависимыми», что означает, что информация сохраняется даже при отключении электроэнергии.

«Интеграция магнитной памяти непосредственно в компьютерные чипы была долгожданной целью», - сказал Горчон. «Это позволило бы сохранить локальные данные на кристалле при выключенном питании, и это позволило бы получить доступ к информации гораздо быстрее, чем получение ее с удаленного диска».

Потенциал магнитных устройств для интеграции с электроникой изучается в области спинтроники, в которой крошечные магнитные устройства управляются обычными электронными схемами на одном и том же чипе.

Современная спинтроника реализована с помощью, так называемого спин-орбитального устройства крутящего момента. В таком устройстве небольшой участок магнитной пленки (магнитный бит) наносится поверх металлической проволоки. Ток, протекающий по проволоке, приводит к потоку электронов с магнитным моментом, который также называют спином. Это, в свою очередь, создает магнитный крутящий момент, называемый вращающим моментом на орбите, на магнитное долото. Вращающий момент на орбите может затем переключать полярность магнитного долота.

Для переключения магнитного бита современные спин-орбитальные устройства крутящего момента, разработанные до сих пор, требовали импульсов тока длительностью не менее наносекунды или миллионной секунды, в то время как транзисторы в современных компьютерных микросхемах переключаются всего за 1-2 пикосекунды. Это приводит к тому, что скорость всей цепи ограничивается медленной скоростью магнитного переключения.

В этом исследовании исследователи запустили импульсы электрического тока длительностью 6 пикосекунд вдоль линии передачи в магнитный бит на основе кобальта. Затем было продемонстрировано, что намагниченность кобальтовой коронки надежно переключается с помощью механизма вращения орбиты.

Хотя нагрев электрическим током является изнурительной проблемой для большинства современных устройств, исследователи отмечают, что в этом эксперименте сверхбыстрый нагрев способствует перемагничиванию.

«Магнит по-разному реагирует на нагрев в длительном и коротком времени», - сказал Уилсон. «Когда нагрев происходит так быстро, только небольшое количество может изменить магнитные свойства, чтобы помочь изменить направление магнита».

Действительно, предварительные оценки использования энергии невероятно многообещающие; энергия, необходимая в этом «сверхбыстром» спин-орбитальном устройстве крутящего момента, почти на два порядка меньше, чем в обычных устройствах спинтроники, которые работают в гораздо более длительных временных масштабах.

«Высокая энергоэффективность этого нового сверхбыстрого процесса магнитного переключения стала большим и очень долгожданным сюрпризом», - сказал Бокор. «Такое высокоскоростное спинтронное устройство с низким энергопотреблением потенциально может справиться с ограничениями производительности существующих систем памяти на уровне процессора, а также может использоваться для логических приложений».

Экспериментальные методы, используемые исследователями, также предлагают новый способ запуска и исследования спинтронных явлений в сверхбыстрых временных масштабах, что может помочь лучше понять физику, лежащую в основе таких явлений, как спин-орбитальный момент.