От электроники к спинтронике. Высокая плотность памяти устройств и низкое энергопотребление

Исследователи стали на шаг ближе к реализации нового типа памяти, работающей по принципам спинтроники, которая подобна электронике, но отличается от нее. Их уникальный ферромагнитный полупроводник на основе арсенида галлия может действовать как память, быстро переключая свое магнитное состояние в присутствии наведенного тока при малой мощности. Раньше такое переключение намагниченности под действием тока было нестабильным и потребляло много энергии, но этот новый материал одновременно подавляет нестабильность и снижает потребление энергии.

Одна из целей эпохи информационных технологий — разработка искусственного интеллекта на основе вычислительных устройств. Но для этого требуется особенная элементная база и архитектура компьютеров, способная имитировать работу биологической нейронной сети.

Современные суперкомпьютеры, работающие на традиционной архитектуре, обладают недостаточной производительностью. Они не могут эффективно выполнять трудоемкие расчеты и обрабатывать большие объемы данных даже с использованием программных алгоритмов нейронных сетей. Также компьютерам сложно справиться со сложными операциями, как распознавание образов, текста, речи, классификация данных и комплексное прогнозирование и кроме того потребляют много энергии.

Электроны имеют две фундаментальные характеристики (DOF), называемые зарядом и спином. В обычных электронных устройствах для обработки информации с использованием двоичных битов 0 и 1 используется только заряд электрона. Постоянное развитие традиционной электроники в основном зависит от уменьшения размера компонентов (транзисторов, конденсаторов и т. д.), встроенных в интегральные схемы (память с произвольным доступом, микропроцессор и др.).

Проблема заключается в том, что в ближайшие десять-пятнадцать лет кремниевые процессоры достигнут предела своих возможностей. Поэтому уже сейчас ученые ищут новые физические принципы, на которых будут построены быстродействующие устройства с низким энергопотреблением и тепловыделением.

Фактический размер транзистора, помещенного в коммерческий микропроцессор, составляет около 50 нм с длиной затвора 20 нм и узлом 7 нм. Прогресс в электронных устройствах завершится, когда размер узла транзистора достигнет 1 нм. Ниже этого размера процессы изготовления, записи и чтения будут затруднены или невозможны из-за квантового размерного эффекта.

Одна из перспективных областей применения наноэлектронных устройств следующего поколения – спинтроника. Она позволяет снизить энергопотребление и увеличить память и возможности обработки. Такие устройства используют спиновые степени свободы электронов и / или дырок, которые также могут взаимодействовать со своими орбитальными моментами. В этих устройствах спиновая поляризация контролируется либо магнитными слоями, используемыми в качестве спин-поляризаторов или анализаторов, либо посредством спин-орбитальной связи.

Отличие спинотроники от традиционной электроники заключается в том, что если обычная оперирует электрическими зарядами, то электроника нового поколения использует спины электронов. Спин электрона (собственный момент импульса) − это внутренняя характеристика электрона, имеющая квантовую природу и не зависящая от движения электрона.

В спинтронных устройствах вычислительные процессы и хранение информации осуществляются по физическим принципам, которые отличаются от традиционной электроники. Согласно принципу Паули, спин электрона на одной и той же орбитали атома может находиться в одном из двух состояний: со спином «вверх» либо со спином «вниз». Спин «вверх» — состояние частицы, в которой ориентация спина имеет одинаковое направление с осью квантования магнитного материала. Спин «вниз» — состояние частицы, в котором спиновый вектор направлен противоположно данной оси. Таким образом, электрон может выступать как природный передатчик двоичной информации. Магнитное поле, или поток свободных электронов, переносящий собственный магнитный момент, меняет поляризацию спинов электронов на внутренних оболочках атомов материала. Так происходит запись отдельных битов информации в магнитном состоянии структуры (1 — большинство электронов со спином «вверх», 0 — большинство электронов со спином «вниз»).

В спинтронных нейроморфных устройствах предполагается оригинальная организация электронных компонентов при которой процессор и память находятся в одном блоке. Их функциональность выполняет одно и то же спинтронное устройство — искусственный нейрон, что существенно ускоряет процедуру вычислений. В то же время передачу данных между нейронами можно организовать посредством спинтронных структур

Такому типу записи данных не нужно внешнее питание, поэтому концепция привлекательна для развития твердотельной памяти нового поколения. С прогрессом в области спинтроники появляются новые типы запоминающих и логических устройств: энергонезависимая оперативная память (STT-MRAM), нейроморфные системы и спиновые транзисторы. Они энергонезависимы и работают быстрее традиционных полупроводниковых аналогов. Благодаря возможности масштабирования спинтронных структур размер приборов на их основе может радикально уменьшиться. Так в запоминающий чип размером менее сантиметра можно поместить информацию объемом с библиотечный архив.

В спинтронных устройствах переворот спина практически не требует затрат энергии, а в промежутках между операциями устройство отключается от источника питания. Если изменить направление спина, то кинетическая энергия электрона не изменится. Это означает, что тепла почти не выделяется.

Специалисты выделяют три главных направления развития спинтроники: квантовый компьютер, спиновый полевой транзистор и спиновая память.

Устройства Spintronic могут предложить более высокую энергоэффективность и меньшее рассеивание по сравнению с обычной электроникой, которая полагается на токи заряда.

По словам ученых из IBM, электроны очень быстро меняют спины – на переключение тратится около 100 пикосекунд (1 пикосекунда – одна триллионная доля секунды). И в этом заключается основная проблема – 100 пикосекунд недостаточно, чтобы микросхемы успели зафиксировать изменение состояния в системе.

Переход от традиционной электроники к технологии спинтроники открывает возможности для создания устройств с высокой плотностью памяти, низким энергопотреблением и лучшим быстродействиеми при этом, более дешевых и надежных.

Таким образом, масштабирование спинтронных элементов позволит создать нейроморфную архитектуру, имитирующую биологическую нейронную сеть. Она будет обучаться, распознавать изображения, писать тексты и воспроизводить речь

Схематическое изображение прототипа энергонезависимой памяти на основе Fe3GeTe2. Fe3GeTe2 — это ферромагнетик, спины которого (маленькие белые стрелки) ориентированы в одном направлении. Ориентация спинов определяет 1 или 0 двоичных разрядов. а) Исходное состояние, в котором записана информация 0. б) Для записи новой информации применяется небольшой ток (оранжевая стрелка), который меняет материал с жесткого магнита на мягкий магнит, так что сохраненную информацию можно легко изменить (скажем, от 0 до 1). c) После отключения тока материал снова превращается в жесткий магнит, и информация 1, записанная на этапе b), может сохраняться в течение длительного времени без какого-либо внешнего источника питания, что делает его энергонезависимой памятью. Кредит: POSTECH & SNU Исследователи из Базельского университета в сотрудничестве с коллегами из Пизы разработали новую концепцию, в которой спин электрона используется для переключения электрического тока. Обе квантовые точки (пунктирные эллипсы) на нанопроволоке настраиваются наномагнитами (коричневые столбики) таким образом, что они пропускают только электроны со спином «вверх». Если ориентация одного из магнитов изменяется, ток подавляется. Предоставлено: Базельский университет, факультет физики.